JP6935094B2 - Methods and systems for generating interactive aerial volmetric images and spatial audio using femtosecond lasers - Google Patents

Methods and systems for generating interactive aerial volmetric images and spatial audio using femtosecond lasers Download PDF

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本発明は一般にインタラクティブなボルメトリックオーディオビジュアルディスプレイに関する。より詳細には、本発明は、高輝度超短パルスレーザ光源を用いて、高分解能であり、安全であり、且つ、インタラクティブである、3次元画像と空中オーディオを生成する方法及びシステムに関する。 The present invention generally relates to an interactive vormetric audiovisual display. More specifically, the present invention relates to methods and systems for producing high-resolution, safe, and interactive 3D images and aerial audio using high-intensity ultrashort pulsed laser light sources.

3次元(3D)ディスプレイは、過去5年間にわたって大きな注目を集めている。3D仮想オブジェクトは元々、ヘッドマウントディスプレイで表示されている。それ以来、平面を持つ3Dディスプレイを探索するための継続的な努力がなされており、且つ、両眼立体視を提供するために幾つかの手法が開発されている。3Dディスプレイは、例えば以下の技術(アナグリフ、時分割、及び、偏光)に基づいて両眼立体視を実現するメガネを採用している。一方、3Dディスプレイ眼鏡に頼らないものは、例えば以下の技術(視差障壁及びレンチキュラレンズアレイ)に基づいている。これらの手法は効果的な3次元画像を提供することが可能であるが、複数の視点に対して正確な画像の計算と生成が必要であり、且つ、ユーザの視野角は限定される。 Three-dimensional (3D) displays have received a lot of attention over the last five years. The 3D virtual object is originally displayed on a head-mounted display. Since then, continuous efforts have been made to explore 3D displays with planes, and several techniques have been developed to provide binocular stereoscopic vision. The 3D display employs glasses that realize binocular stereoscopic vision based on, for example, the following techniques (anaglyph, time division, and polarized light). On the other hand, those that do not rely on 3D display glasses are based on, for example, the following techniques (parallax barrier and lenticular lens array). While these techniques can provide effective 3D images, they require accurate image calculations and generation for multiple viewpoints and limit the viewing angle of the user.

高度な3Dディスプレイを実現するための別のアプローチは、物理的な3次元空間を使用して、平面の代わりに画像をレンダリングすることである。このアプローチは、様々な視覚効果を使用して奥行きをシミュレートする従来の画面の平面イメージではなく、3つの物理的な次元でオブジェクトの視覚的表現を形成する。これらの3Dディスプレイは、ボルメトリックディスプレイと呼ばれ、且つ、ユーザに任意の角度からの表示画像を見せることができる。ボルメトリックディスプレイは、3次元空間に配置された「ボクセル」を表示する。 Another approach to achieving advanced 3D displays is to use physical 3D space to render images instead of planes. This approach forms a visual representation of an object in three physical dimensions, rather than a traditional screen planar image that uses a variety of visual effects to simulate depth. These 3D displays are called vormetric displays and can show the user a display image from any angle. The volmetric display displays "voxels" arranged in three-dimensional space.

レーザは、3次元空間の任意の点に様々なメディアのライトスポット(「ボクセル」)を配置するのに使用することができる。レーザによって配置されるライトスポットの幾つかの利点は、(1)特別な材料を配置する必要がなく、且つ、媒体の光の放出を抑制する必要がない点、(2)視線の妨げになり得る構造を回避することができるような無線通信、及び、(3)光学技術の進歩に伴うレーザの正確な制御である。空中レーザベースのボルメトリックディスプレイでは、空中のボクセル、つまりプラズマは、高輝度レーザによって生成され、その高輝度レーザは、トータルパワーの制限下においてパルス持続時間の短縮により実現される。 Lasers can be used to place light spots (“voxels”) of various media at any point in three-dimensional space. Some of the advantages of the light spots placed by the laser are (1) no special material need to be placed and no need to suppress the emission of light from the medium, and (2) obstruction of the line of sight. Wireless communication that can avoid the resulting structure, and (3) precise control of the laser with advances in optical technology. In an aerial laser-based volmetric display, aerial voxels, or plasmas, are generated by a high-intensity laser, which is achieved by shortening the pulse duration within the limits of total power.

レンダリング速度がわずか100dot/secのときには、ナノ秒レーザを用いて、ボルメトリックディスプレイの最初のデモンストレーションが実施された(Hidei Kimura, Taro Uchiyama, and Hiroyuki Yoshikawa. 2006. Laser produced 3D display in the air. In ACM SIGGRAPH 2006 Emerging Technologies (SIGGRAPH’06). ACM, New York, NY, Article 20. DOI:http://dx.doi.org/10.1145/1179133.1179154)。後に、フェムト秒レーザによって1000dot/secが達成された(Hideo Saito, Hidei Kimura, Satoru Shimada, Takeshi Naemura, Jun Kayahara, Songkran Jarusirisawad, Vincent Nozick, Hiroyo Ishikawa, Toshiyuki Murakami, Jun Aoki, Akira Asano, Tatsumi Kimura, Masayuki Kakehata, Fumio Sasaki, Hidehiko Yashiro, Masahiko Mori, Kenji Torizuka, and Kouta Ino. 2008. Laser-plasma scanning 3D display for putting digital contents in free space. In Proceedings of SPIE 6803 (2008), 680309-680309-10. DOI:http://dx.doi.org/10.1117/12.768068)。しかし、これらのシステムの分解能は低い。
When the rendering speed was only 100 dot / sec, the first demonstration of a volmetric display was performed using a nanosecond laser (Hidei Kimura, Taro Uchiyama, and Hiroyuki Yoshikawa. 2006. Laser produced 3D display in the air. In ACM SIGGRAPH 2006 Emerging Technologies (SIGGRAPH'06). ACM, New York, NY, Article 20. DOI: http://dx.doi.org/10.1145/1179133.1179154 ). Later, a femtosecond laser achieved 1000 dots / sec ( Hideo Saito, Hidei Kimura, Satoru Shimada, Takeshi Naemura, Jun Kayahara, Songkran Jarusirisawad, Vincent Nozick, Hiroyo Ishikawa, Toshiyuki Murakami, Jun Aoki, Akira Asano, Tatsumi Kimura, Masayuki Kakehata, Fumio Sasaki, Hidehiko Yashiro, Masahiko Mori, Kenji Torizuka, and Kouta Ino. 2008. Laser-plasma scanning 3D display for putting digital contents in free space. In Proceedings of SPIE 6803 (2008), 680309-680309-10. DOI: http://dx.doi.org/10.1117/12.768068 ). However, the resolution of these systems is low.

空気以外のメディアへのレーザベースのボルメトリックディスプレイのデモンストレーションも実施された。50000dot/secのレンダリング速度が実現しているときには、水中でナノ秒レーザベースのボルメトリックディスプレイが開発された(Hidei Kimura, Akira Asano, Issei Fujishiro, Ayaka Nakatani, and Hayato Watanabe. 2011. True 3D display. In ACM SIGGRAPH 2011 Emerging Technologies (SIGGRAPH’11). ACM, New York, NY, Article 20, 1 page. DOI:http://dx.doi.org/10.1145/2048259.2048279)。その後、コンピュータ生成ホログラムを用いた並列光アクセスを有する蛍光媒質中のフェムト秒レーザによるボルメトリックディスプレイが開発され、高分解能化が実現された(Satoshi Hasegawa and Yoshio Hayasaki. 2013. Liquid volumetric display with parallel optical access by computer-generated hologram. In Digital Holography and Three-Dimensional Imaging (2013), DTh2A.7. DOI:http://dx.doi.org/ 10.1364/DH.2013.DTh2A.7)これらのシステムでは、導出されたライトスポットにはアクセスできない。
Demonstrations of laser-based volmetric displays on media other than air were also conducted. When rendering speeds of 50,000 dot / sec were achieved, nanosecond laser-based volmetric displays were developed underwater (Hidei Kimura, Akira Asano, Issei Fujishiro, Ayaka Nakatani, and Hayato Watanabe. 2011. True 3D display. In ACM SIGGRAPH 2011 Emerging Technologies (SIGGRAPH'11). ACM, New York, NY, Article 20, 1 page. DOI: http://dx.doi.org/10.1145/2048259.2048279 ). Later, a femtosecond laser volmetric display in a fluorescent medium with parallel optical access using computer-generated holograms was developed to achieve higher resolution ( Satoshi Hasegawa and Yoshio Hayasaki. 2013. Liquid volumetric display with parallel optical). access by computer-generated locally. In Digital Holography and Three-Dimensional Imaging (2013), DTh2A.7. DOI: http://dx.doi.org/ 10.1364/DH.2013.DTh2A.7 ) In these systems, You cannot access the derived light spot.

空中ボルメトリックディスプレイは、通常、ユーザの手によるインタラクションを伴う。仮想のオブジェクトとユーザをインタラクションさせるためのタッチ感を提供するために、空中触覚を空中ボルメトリックディスプレイに組み込むことには利点がある。空中触覚は、物理的コンタクト、又は、ウェアラブルデバイスなしの距離から力を加えることができる点に利点があり、且つ、高いプログラマビリティを有する。つまり、物理的なアクチュエータが不要であるので、3次元空間の任意の位置に再配置可能である。例えば、最近の研究では、超音波振動子アレイ(Takayuki Hoshi, Masafumi Takahashi, Takayuki Iwamoto, and Hiroyuki Shinoda. 2010. Noncontact tactile display based on radiation pressure of airborne ultrasound. IEEE Transactions on Haptics 3, 3, 155-165. DOI: http://dx.doi.org/10.1109/TOH.2010.4, Tom Carter, Sue Ann Seah, Benjamin Long, Bruce Drinkwater, and Sriram Subramanian. 2013. Ultrahaptics: Multi-point mid-air haptic feedback for touch surfaces. In Proceedings of the 26th Annual ACM Symposium on User Interface Software and Technology, ACM, New York, NY, USA, UIST ’13, 505-514. DOI:http://dx.doi.org/10.1145/2501988.2502018; Seki Inoue, Koseki J. Kobayashi-Kirschvink, Yasuaki Monnai, Keisuke Hasegawa, Yasutoshi Makino, Hiroyuki Shinoda. 2014. HORN: The hapt-optic reconstruction. In ACM SIGGRAPH 2014 Emerging Technologies, ACM, New York, NY, USA, SIGGRAPH ’14, 11:1. DOI:http://dx.doi.org/10.1145/2614066.2614092)、又は、非接触触覚刺激とフィードバックのための空気渦(Rajinder Sodhi, Ivan Poupyrev, Matthew Glisson, and Ali Israr. 2013. Aireal: Interactive tactile experiences in free air. ACM Trans. Graph. 32, 4 (July), 134:1-134:10. DOI:http://dx.doi.org/10.1145/2461912.2462007; Sidhant Gupta, Dan Morris, Shwetak N. Patel, and Desney Tan. 2013. AirWave: Non-contact haptic feedback using air vortex rings. In Proceedings of the 2013 ACM International Joint Conference on Pervasive and Ubiquitous Computing, ACM, New York, NY, USA, UbiComp ’13, 419-428. DOI:http://dx.doi.org/10.1145/2493432.2493463)の使用を検討している。これらのアプローチは、空間精度を欠き、且つ、動作距離に制限がある。最近の研究はまた、触覚を呼び起こすために低消費電力ナノ秒レーザの使用を検討している(Jae-Hoon Jun, Jong-Rak Park, Sung-Phil Kim, Young Min Bae, Jang-Yeon Park, Hyung-Sik Kim, Seungmoon Choi, Sung Jun Jung, Seung Hwa Park, Dong-Il Yeom, Gu-In Jung, Ji-Sun Kim and SoonCheol Chung. 2015. Laser-induced thermoelastic effects can evoke tactile sensations. Scientific Reports 5, 11016. DOI: http://dx.doi.org/10.1038/srep11016Hojin Lee, Ji-Sun Kim, Seungmoon Choi, Jae-Hoon Jun, Jong-Rak Park, A-Hee Kim, Han-Byeol Oh, Hyung-Sik Kim, and Soon-Cheol Chung. 2015. Midair tactile stimulation using laser-induced thermoelastic effects: The first study for indirect radiation. In World Haptics Conference (WHC), 2015, 374-380. DOI:http://dx.doi.org/10.1109/WHC.2015.7177741)。しかし、低パワーのナノ秒レーザでさえ、人間の皮膚の温度を瞬時に上昇させることが示されている。
Aerial volmetric displays usually involve user interaction. Incorporating aerial tactile sensations into an aerial volmetric display has the advantage of providing a touch of interaction between virtual objects and the user. Aerial tactile sensation has the advantage of being able to apply force from a distance without physical contact or wearable devices, and has high programmability. That is, since no physical actuator is required, it can be rearranged at an arbitrary position in the three-dimensional space. For example, in a recent study, Takayuki Hoshi, Masafumi Takahashi, Takayuki Iwamoto, and Hiroyuki Shinoda. 2010. Noncontact tactile display based on radiation pressure of airborne ultrasound. IEEE Transactions on Haptics 3, 3, 155-165 . DOI: http://dx.doi.org/10.1109/TOH.2010.4 , Tom Carter, Sue Ann Seah, Benjamin Long, Bruce Drinkwater, and Sriram Subramanian. 2013. Ultrahaptics: Multi-point mid-air haptic feedback for touch surfaces. In Proceedings of the 26th Annual ACM Symposium on User Interface Software and Technology, ACM, New York, NY, USA, UIST '13, 505-514. DOI: http://dx.doi.org/10.1145/2501988.2502018 ; Seki Inoue, Koseki J. Kobayashi-Kirschvink, Yasuaki Monnai, Keisuke Hasegawa, Yasutoshi Makino, Hiroyuki Shinoda. 2014. HORN: The hapt-optic reconstruction. In ACM SIGGRAPH 2014 Emerging Technologies, ACM, New York, NY, USA, SIGGRAPH' 14, 11: 1. DOI: http://dx.doi.org/10.1145/2614066.2614092 ) or air vortices for non-contact tactile stimuli and feedback ( Rajinder Sodhi, Ivan Poupyrev, Matthew Glisson, and Ali Israr. 2013 .Aireal: Interactive tactile experiences in free air. ACM Trans. Graph. 32, 4 (July), 134: 1-134: 10. DOI: http://dx.doi.org/10.1145/2461912.2462007 ; Sidhant Gupta, Dan Morris, Shwetak N. Patel, and Desney Tan. 2013. AirWave: Non-contact haptic feedback using air vortex rings. In Proceedings of the 2013 ACM International Joint Conference on Pervasive and Ubiquitous Computing, ACM, New York, NY, USA, UbiComp '13, 419-428. DOI: http://dx.doi.org/10.1145/2493432.2493463 ) is under consideration. These approaches lack spatial accuracy and have limited operating distance. Recent studies have also considered the use of low-power nanosecond lasers to evoke tactile sensations ( Jae-Hoon Jun, Jong-Rak Park, Sung-Phil Kim, Young Min Bae, Jang-Yeon Park, Hyung). -Sik Kim, Seungmoon Choi, Sung Jun Jung, Seung Hwa Park, Dong-Il Yeom, Gu-In Jung, Ji-Sun Kim and SoonCheol Chung. 2015. Laser-induced thermoelastic effects can evoke tactile sensations. Scientific Reports 5, 11016 . DOI: http://dx.doi.org/10.1038/srep11016 , Hojin Lee, Ji-Sun Kim, Seungmoon Choi, Jae-Hoon Jun, Jong-Rak Park, A-Hee Kim, Han-Byeol Oh, Hyung- Sik Kim, and Soon-Cheol Chung. 2015. Midair tactile stimulation using laser-induced thermoelastic effects: The first study for indirect radiation. In World Haptics Conference (WHC), 2015, 374-380. DOI: http: // dx. doi.org/10.1109/WHC.2015.7177741 ). However, even low-power nanosecond lasers have been shown to instantly raise the temperature of human skin.

通常、空中ボルメトリックディスプレイには、サウンドシステムが付属している。自由空間における空間音響分布の制御に関する従来の研究は、3D音響を生成する手段としてのマルチチャンネルオーディオ合成と超音波ベースの超指向性スピーカ(パラメトリックスピーカ)を含む。従来のサラウンドサウンドスピーカは、没入型の音環境をシミュレートし、且つ、可聴音波の干渉を介して空間パターンを生成する(K. Shinagawa, Y. Amemiya, H. Takemura, S. Kagami, and H. Mizoguchi. 2007. Three dimensional simulation and measurement of sound pressure distribution generated by 120 ch plane loudspeaker array. In Proceedings of IEEE International Conference on Systems, Man and Cybernetics, 278-283.)。しかし、聴覚体験の質は、サラウンドサウンドスピーカの環境に対する聞き手の位置に依存し、且つ、聴覚体験は、ターゲット領域の中心にいる聞き手に最適化される。パラメトリックスピーカは、超音波振動子アレイを用いた可聴音の狭いビームを生成することができるので、デバイスのターゲットになった特定の人に音を聴かせることができる(M. Yoneyama, J. Fujimoto, Y. Kawamo, and S. Sasabe. 1983. The audio spotlight: An application of nonlinear interaction of sound waves to a new type of loudspeaker design. The Journal of the Acoustical Society of America 73, 5, 1532-1536.)。これらのサウンドシステムでは、何れも、可聴音は、ターゲット領域の外側から生成され、且つ、ターゲット領域に向かって放出される。
Aerial volmetric displays usually come with a sound system. Previous studies on the control of spatial acoustic distribution in free space include multi-channel audio synthesis and ultrasound-based super-directional speakers (parametric speakers) as means for generating 3D sound. Traditional surround sound speakers simulate an immersive sound environment and generate spatial patterns through the interference of audible sound waves ( K. Shinagawa, Y. Amemiya, H. Takemura, S. Kagami, and H). Mizoguchi. 2007. Three dimensional simulation and measurement of sound pressure distribution generated by 120 ch plane loudspeaker array. In Proceedings of IEEE International Conference on Systems, Man and Cybernetics, 278-283. ). However, the quality of the auditory experience depends on the listener's position with respect to the environment of the surround sound speakers, and the auditory experience is optimized for the listener in the center of the target area. Parametric speakers can generate a narrow beam of audible sound using an ultrasonic transducer array, so that a specific person targeted by the device can hear the sound ( M. Yoneyama, J. Fujimoto). , Y. Kawamo, and S. Sasabe. 1983. The audio spotlight: An application of nonlinear interaction of sound waves to a new type of loudspeaker design. The Journal of the Acoustical Society of America 73, 5, 1532-1536. ). In all of these sound systems, audible sound is generated from outside the target area and emitted towards the target area.

したがって、高分解能、且つ、スケーラブルな空中ボルメトリックディスプレイを持つことが望ましい。また、改善された非接触触覚フィードバックを有する空中ボルメトリックディスプレイを持つことが望ましい。また、特定の視点から見た3Dビジュアル体験を伴うようにパーソナライズ化された没入型空間オーディオ体験を有することが望ましい。 Therefore, it is desirable to have a high resolution and scalable aerial volmetric display. It is also desirable to have an aerial volmetric display with improved non-contact tactile feedback. It is also desirable to have an immersive spatial audio experience that is personalized to accompany a 3D visual experience from a particular perspective.

本発明は、空中ボルメトリックグラフィックスを生成するためのシステム及び方法であって、フェムト秒レーザが任意の3次元位置で光を発する物理的現象を起こさせるものである。 The present invention is a system and method for generating aerial volmetric graphics, which causes a physical phenomenon in which a femtosecond laser emits light at an arbitrary three-dimensional position.

本発明の目的は、空間光変調器と、計算による位相変調と、を利用して、レーザベースの空中ボルメトリックディスプレイのスケーラビリティ及び分解能を向上させることである。本発明の別の目的は、フェムト秒レーザを利用して、ユーザとボルメトリックディスプレイとの間の安全なインタラクションを提供することである。本発明の別の目的は、フェムト秒レーザを利用して、機能性空中オーディオスピーカを実現することである。超短パルスレーザの焦点に誘起されたプラズマは、インパルスのような衝撃波を生成し、且つ、焦点は、3次元空間内の任意の位置に操作及び配置することができる。計算によるグラフィカルデザイン方法は、空間オーディオスピーアの実装に使用される。 It is an object of the present invention to utilize spatial light modulators and computational phase modulation to improve the scalability and resolution of laser-based aerial vormetric displays. Another object of the present invention is to utilize a femtosecond laser to provide a secure interaction between the user and the volmetric display. Another object of the present invention is to realize a functional aerial audio speaker by utilizing a femtosecond laser. The plasma induced in the focal point of the ultrashort pulse laser produces a shock wave such as an impulse, and the focal point can be manipulated and placed at any position in three-dimensional space. Computational graphical design methods are used to implement spatial audio speed.

一態様によれば、システムは、超高速フェムト秒レーザ光源と、空間光変調器と、3次元位置スキャナとを備える。このシステムは、同時にアドレス指定可能であり、コンピュータ生成ホログラムと組み合わせ可能であり、近接場のレーザプラズマディスプレイを提供可能であり、触覚ベースのプラズマインタラクションを提供可能であり、且つ、没入型のオーディオを提供可能である。 According to one aspect, the system comprises an ultrafast femtosecond laser light source, a spatial light modulator, and a three-dimensional position scanner. The system is simultaneously addressable, can be combined with computer-generated holograms, can provide near-field laser plasma displays, can provide tactile-based plasma interactions, and provides immersive audio. It can be provided.

本発明によれば、フェムト秒光源から得られるレーザ誘起プラズマが、触覚インタラクションを含むインタラクティブコントロールに利用可能になる。低エネルギープラズマは、プラズマと接触する人にもたらされる危険を最小限に抑える。 According to the present invention, the laser-induced plasma obtained from the femtosecond light source can be used for interactive control including tactile interaction. Low-energy plasma minimizes the risk posed to those who come into contact with the plasma.

本発明の一態様は、
レーザパルスビームを生成するフェムト秒光源を備え、
コンピュータ生成ホログラムを生成するプロセッサを備え、
前記コンピュータ生成ホログラムに従って前記レーザパルスビームを変調する空間光変調器を備え、
前記空間光変調器に光学的に接続された3次元スキャナを備え、
前記3次元スキャナは、空中の1つ以上の焦点に前記変調レーザパルスビームを指向させ、
前記変調レーザパルスビームを集束させるレンズを備える、
プラズマ生成装置である。
One aspect of the present invention is
Equipped with a femtosecond light source that produces a laser pulse beam
Equipped with a processor that produces computer-generated holograms
A spatial light modulator that modulates the laser pulse beam according to the computer-generated hologram.
A three-dimensional scanner optically connected to the spatial light modulator is provided.
The three-dimensional scanner directs the modulated laser pulse beam to one or more focal points in the air.
A lens that focuses the modulated laser pulse beam.
It is a plasma generator.

本発明の別の態様では、前記変調レーザパルスビームは、単一焦点で発光効果を誘起する。 In another aspect of the invention, the modulated laser pulse beam induces a luminescent effect at a single focal point.

本発明の別の態様では、前記変調レーザパルスビームは、複数の焦点で同時に発光効果を誘起する。 In another aspect of the invention, the modulated laser pulse beam induces a luminous effect at multiple focal points at the same time.

本発明の別の態様では、前記3次元スキャナは、ガルバノスキャナと、バリフォーカルレンズと、を備える。 In another aspect of the invention, the three-dimensional scanner comprises a galvano scanner and a varifocal lens.

本発明の別の態様では、前記プラズマ生成装置は、前記発光効果の輝度の変化を検出するセンサを備える。 In another aspect of the invention, the plasma generator comprises a sensor that detects a change in the brightness of the luminescence effect.

本発明の別の態様では、前記変調レーザパルスビームは、1つ以上の焦点で触知可能なライトフィールドを生成する。 In another aspect of the invention, the modulated laser pulse beam produces a palpable light field at one or more focal points.

本発明の別の態様では、前記プラズマ生成装置は、1つ以上の焦点で触知可能なアコースティックフィールドを生成する超音波フェーズドアレイを備える。 In another aspect of the invention, the plasma generator comprises an ultrasonic phased array that produces a palpable acoustic field at one or more focal points.

本発明の別の態様では、前記プラズマ生成装置は、1つ以上の焦点の周辺で触知可能なアコースティックフィールドを生成する超音波フェーズドアレイを備える。 In another aspect of the invention, the plasma generator comprises an ultrasonic phased array that produces a palpable acoustic field around one or more focal points.

本発明の別の態様では、前記触知可能なライトフィールドは、触覚画像パターンを含む。 In another aspect of the invention, the tactile light field comprises a tactile image pattern.

本発明の別の態様では、前記レンズは、マイクロレンズアレイである。 In another aspect of the invention, the lens is a microlens array.

本発明の別の態様では、前記プラズマ生成装置は、オブジェクトの位置を検出するセンサを備える。 In another aspect of the invention, the plasma generator comprises a sensor that detects the position of an object.

本発明の別の態様では、前記プラズマ生成装置は、オーディオ信号に従って前記レーザパルスビームの強度を変更する振幅変調器を備える。 In another aspect of the invention, the plasma generator comprises an amplitude modulator that modifies the intensity of the laser pulse beam according to an audio signal.

本発明の一態様は、
フェムト秒レーザパルスビームを生成するステップを備え、
コンピュータ生成ホログラムを生成するステップを備え、
前記コンピュータ生成ホログラムに従って前記フェムト秒レーザパルスビームを変調することにより、1つ以上の変調レーザパルスビームを生成するステップを備え、
空中の1つ以上の焦点に前記1つ以上のレーザパルスビームを指向させるステップを備える、
プラズマ生成方法である。
One aspect of the present invention is
With steps to generate a femtosecond laser pulse beam
With steps to generate computer-generated holograms
A step of generating one or more modulated laser pulse beams by modulating the femtosecond laser pulse beam according to the computer-generated hologram.
A step of directing the one or more laser pulse beams to one or more focal points in the air.
This is a plasma generation method.

本発明の別の態様では、前記プラズマ生成方法は、1つ以上の変調レーザパルスビームを1つ以上の焦点で集束させることにより、1つ以上の焦点で発光効果を誘起するステップを備える。 In another aspect of the invention, the plasma generation method comprises the step of inducing a luminescence effect at one or more foci by focusing one or more modulated laser pulse beams at one or more foci.

本発明の別の態様では、前記プラズマ生成方法は、前記発光効果の輝度の変化を検出するステップを備える。 In another aspect of the invention, the plasma generation method comprises a step of detecting a change in the brightness of the luminescence effect.

本発明の別の態様では、前記プラズマ生成方法は、1つ以上の焦点で触知可能なライトフィールドを生成するステップを備える。 In another aspect of the invention, the plasma generation method comprises the step of generating a palpable light field at one or more focal points.

本発明の別の態様では、前記プラズマ生成方法は、1つ以上の変調レーザパルスビームを1つ以上の焦点で集束させることにより、1つ以上の焦点で超音波放射圧を生成する。 In another aspect of the invention, the plasma generation method produces ultrasonic radiation pressure at one or more focal points by focusing one or more modulated laser pulse beams at one or more focal points.

本発明の別の態様では、前記プラズマ生成方法は、1つ以上の変調レーザパルスビームを1つ以上の焦点で集束させることにより、1つ以上の焦点の周辺で発光効果を誘起するステップを備える。 In another aspect of the invention, the plasma generation method comprises the step of inducing a luminescence effect around one or more focal points by focusing one or more modulated laser pulse beams at one or more focal points. ..

本発明の別の態様では、前記プラズマ生成方法は、残像の生成に十分なレートで前記発光効果を誘起するステップを備える。 In another aspect of the invention, the plasma generation method comprises the step of inducing the luminescence effect at a rate sufficient to generate an afterimage.

本発明の別の態様では、前記プラズマ生成方法は、1つ以上の焦点の近傍に新しい1つ以上の焦点の組み合わせを判定するステップを備える。 In another aspect of the invention, the plasma generation method comprises the step of determining a new one or more focal combinations in the vicinity of the one or more focal points.

本発明の別の態様では、前記プラズマ生成方法は、前記検出された変化を入力選択として用いるステップを備える。 In another aspect of the invention, the plasma generation method comprises the step of using the detected change as an input selection.

本発明の別の態様では、前記プラズマ生成方法は、1つ以上の焦点で1つ以上の変調レーザパルスビームを指向させることにより、音波を発生させる発光効果を導出するステップを備える。 In another aspect of the invention, the plasma generation method comprises the step of deriving a light emitting effect that generates sound waves by directing one or more modulated laser pulse beams at one or more focal points.

本発明の別の態様では、前記音波は、可聴周波数帯である。 In another aspect of the invention, the sound wave is in the audible frequency band.

本発明の別の態様では、前記音波は、超音波周波数帯である。 In another aspect of the invention, the sound wave is in the ultrasonic frequency band.

本発明の別の態様では、前記プラズマ生成方法は、オーディオ信号に従って前記フェムト秒レーザパルスビームの強度を調整するステップを備える。 In another aspect of the invention, the plasma generation method comprises the step of adjusting the intensity of the femtosecond laser pulse beam according to an audio signal.

本発明の別の態様では、前記プラズマ生成方法は、前記フェムト秒レーザパルスビームを弱めるステップを備える。 In another aspect of the invention, the plasma generation method comprises a step of weakening the femtosecond laser pulse beam.

本発明の別の態様では、前記プラズマ生成方法は、前記1つ以上の焦点は、前記コンピュータ生成ホログラムに応じた位置に配置されることにより、指向性音波を生成する。 In another aspect of the invention, the plasma generation method produces directional sound waves by arranging the one or more focal points at positions corresponding to the computer-generated hologram.

本発明の別の態様では、前記プラズマ生成方法は、
複数のフェームと秒レーザパルスビームを生成するステップを備え、
前記複数のレーザパルスビームを2以上の焦点に指向させるステップを備える。
In another aspect of the invention, the plasma generation method
With steps to generate multiple fame and second laser pulse beams
A step of directing the plurality of laser pulse beams to two or more focal points is provided.

本発明の別の態様では、前記2以上の焦点は、触覚画像パターンを含む。 In another aspect of the invention, the two or more focal points include a tactile image pattern.

本発明の別の態様では、前記プラズマ生成方法は、前記2以上の焦点の近傍に超音波放射圧を生成するステップを含む。 In another aspect of the invention, the plasma generation method comprises the step of generating ultrasonic radiation pressure in the vicinity of the two or more focal points.

本発明の実施形態の他の特徴および利点は、以下の詳細な説明、添付の図面、及び、添付の特許請求の範囲から容易に明らかになるであろう。 Other features and advantages of embodiments of the present invention will be readily apparent from the detailed description below, the accompanying drawings, and the appended claims.

媒体毎のレーザ誘起効果を示す。図1(a)は、空気の電離によって生じるプラズマ発光を示す。図1(b)は、蛍光溶液に誘起される蛍光を示す。図1(c)は、蛍光プレートに誘起されえる蛍光を示す。図1(d)は、水のキャビテーションから生じるマイクロバブルによって散乱される光を示す。The laser inductive effect for each medium is shown. FIG. 1 (a) shows plasma emission caused by ionization of air. FIG. 1 (b) shows the fluorescence induced in the fluorescent solution. FIG. 1 (c) shows the fluorescence that can be induced in the fluorescence plate. FIG. 1 (d) shows the light scattered by the microbubbles generated from the cavitation of water. 本実施形態のボルメトリックグラフィックスを生成するシステムを示す。The system which generates the vormetric graphics of this embodiment is shown. 本実施形態の別の態様のボルメトリックグラフィックスを生成するシステムを示す。The system which generates the vormetric graphics of another aspect of this embodiment is shown. 図4(a)〜(c)は、それぞれ、100fsレーザ、30fsレーザ、及び、269fsレーザのスペクトラムを示す。図4(d)は、100fsレーザ、30fsレーザ、及び、269fsレーザのそれぞれのピーク強度及びパルス幅を示す。4 (a) to 4 (c) show the spectra of the 100 fs laser, the 30 fs laser, and the 269 fs laser, respectively. FIG. 4D shows the peak intensities and pulse widths of the 100 fs laser, the 30 fs laser, and the 269 fs laser, respectively. 図5(a)は、オリジナル画像の例を示す。図5(b)は、オリジナル画像の変換スポットアレイ画像を示す。図5(c)は、空間光変調器に表示されるべきオリジナル画像のホログラムを示す。FIG. 5A shows an example of an original image. FIG. 5B shows a converted spot array image of the original image. FIG. 5C shows a hologram of the original image to be displayed on the spatial light modulator. 30fsレーザ及び100fsレーザによって空中で誘起される発光の輝度の実験結果を示す。The experimental result of the brightness of the light emission induced in the air by a 30 fs laser and a 100 fs laser is shown. 30fsレーザによって誘起される蛍光溶液、水、及び、空気における発光の輝度の実験結果を示す。The experimental results of the brightness of the emission in the fluorescent solution, water, and air induced by the 30 fs laser are shown. プラズマドットに同時にアドレスされる輝度の評価結果を示す。図8(a)は、同時に生成されたボクセルのパルスエネルギーに対するプラズマドットの規格化された強度を示す。図8(b)は、プラズマドットに同時にアドレスされる拡大写真及びプラズマドットパターンの生成に使用されるコンピュータ生成ホログラムを示す。図8(c)は、一連の写真において同時に生成されるボクセルのパルスエネルギーに対するプラズマドットの強度の比較結果を示す。The evaluation result of the brightness addressed to the plasma dots at the same time is shown. FIG. 8 (a) shows the normalized intensity of the plasma dots with respect to the simultaneously generated voxel pulse energies. FIG. 8B shows a magnified photograph simultaneously addressed to the plasma dots and a computer-generated hologram used to generate the plasma dot pattern. FIG. 8C shows a comparison result of the intensity of plasma dots with respect to the pulse energy of voxels generated simultaneously in a series of photographs. 皮膚へのダメージに関する実験結果を示す。図9(a)は、レザーシート上に50ms間30fsのレーザパルスを照射したときの効果を示す。図9(b)は、レザーシート上に2000ms間30fsのレーザパルスを照射したときの効果を示す。図9(c)は、レザーシート上に2000ms間30fsのレーザパルスを照射したときのダメージ領域を示す。図9(d)は、レザーシート上に30fsと100fsのレーザパルスを照射したときの50ms〜6000msの照射時間毎の効果を示す。The experimental results regarding the damage to the skin are shown. FIG. 9A shows the effect when the leather sheet is irradiated with a laser pulse of 30 fs for 50 ms. FIG. 9B shows the effect when the leather sheet is irradiated with a laser pulse of 30 fs for 2000 ms. FIG. 9C shows a damaged region when the leather sheet is irradiated with a laser pulse of 30 fs for 2000 ms. FIG. 9D shows the effect of irradiating the leather sheet with laser pulses of 30 fs and 100 fs for each irradiation time of 50 ms to 6000 ms. 本実施形態の様々なアプリケーションを示す。図10(a)は、空間仮想現実の例を示す。図10(b)は、触覚フィードバックの例を示す。図10(c)は、空中ボルメトリックグラフィックスの例を示す。図10(d)は、透明壁(例えば、ガラス壁)に囲まれた空中ボルメトリックグラフィックスの例を示している。Various applications of this embodiment are shown. FIG. 10A shows an example of spatial virtual reality. FIG. 10B shows an example of tactile feedback. FIG. 10 (c) shows an example of aerial volmetric graphics. FIG. 10 (d) shows an example of aerial volmetric graphics surrounded by a transparent wall (eg, a glass wall). 蛍光液に同時にアドレス指定したときの実験結果を示す。The experimental results when the address is specified to the fluorescent liquid at the same time are shown. 蛍光プレートに同時にアドレス指定したときの実験結果を示す。The experimental results when the address is specified to the fluorescent plate at the same time are shown. 水に同時にアドレス指定したときの実験結果を示す。The experimental results when addressing water at the same time are shown. 空中レンダリングに関する実験結果を示す。図14(a)は、空中にレンダリングされたロゴを示す。図14(b)は、空中にレンダリングされたシリンダを示す。図14(c)は、空中にレンダリングされたハート及びインタラクション効果を示す。図14(d)は、空中にレンダリングされた妖精を示す。図14(e)は、仮想現実の例として、種から発芽する「もやし」を示す。図14(f)は、リングに接触した後に「宝石」に変化する光点を示す。図14(g)は、光点と指との間の直接インタラクションを示す。The experimental results regarding aerial rendering are shown. FIG. 14A shows a logo rendered in the air. FIG. 14B shows a cylinder rendered in the air. FIG. 14 (c) shows the heart and interaction effects rendered in the air. FIG. 14 (d) shows a fairy rendered in the air. FIG. 14 (e) shows "bean sprouts" that germinate from seeds as an example of virtual reality. FIG. 14 (f) shows a light spot that turns into a "jewel" after contacting the ring. FIG. 14 (g) shows the direct interaction between the light spot and the finger. レーザ及び超音波クロスフィールドセットアップによって生成された触覚フィードバックを示す。The tactile feedback generated by the laser and ultrasonic crossfield setup is shown. 本実施形態のボルメトリックグラフィックス及びクロスフィールド触覚フィードバックを生成するシステムを示す。The system which generates the vormetric graphics and the cross-field tactile feedback of this embodiment is shown. 本実施形態の空中ボルメトリックディスプレイ及びクロスフィールド触覚フィードバックを生成するシステムを示す。The aerial volmetric display of this embodiment and the system for generating cross-field tactile feedback are shown. 知覚閾値に関する実験結果を示す。図18(a)は、衝撃波の知覚閾値を示す。図18(b)は、超音波放射圧の知覚閾値を示す。図18(c)は、知覚閾値より弱い超音波振動刺激の負荷を加えられたレーザプラズマの衝撃波を含むクロスフィールドの知覚閾値を示す。The experimental results regarding the perceptual threshold are shown. FIG. 18A shows the perceptual threshold of the shock wave. FIG. 18B shows the perceptual threshold of ultrasonic radiation pressure. FIG. 18 (c) shows a cross-field perceptual threshold that includes a shock wave of laser plasma loaded with an ultrasonic vibration stimulus that is weaker than the perceptual threshold. ドット、ライン、及び、ボックスを含むレーザプラズマによって生成された空間パターンの一連の写真を示す。Shown is a series of photographs of the spatial pattern generated by a laser plasma containing dots, lines, and boxes. レーザプラズマによって生成された空間パターンの識別に関する実験結果を示す。The experimental results regarding the identification of the spatial pattern generated by the laser plasma are shown. 本実施形態の触知可能な超音波フィールドを生成するシステムを示す。The system which generates the palpable ultrasonic field of this embodiment is shown. 本実施形態の制御システムの図を示す。The figure of the control system of this embodiment is shown. レーザ及び超音波によって生成された多重分解能の3D画像を示す。図23(a)は、視覚触覚仮想現実のユーザビューを示す。図23(b)は、レーザプラズマを示す。図23(c)は、ドライアイスによって可視化された超音波フィールドを示す。図23(d)は、仮想現実マーカのカメラビューを示す。図23(e)は、システムセットアップにおけるカメラの一を示す。A multi-resolution 3D image generated by laser and ultrasound is shown. FIG. 23 (a) shows a user view of visual and tactile virtual reality. FIG. 23B shows a laser plasma. FIG. 23 (c) shows the ultrasonic field visualized by dry ice. FIG. 23D shows a camera view of the virtual reality marker. FIG. 23 (e) shows one of the cameras in the system setup. 点字アルファベットセットの文字及びそれに対応するコンピュータ生成ホログラムの生成プラズマ画像を示す。The characters in the Braille alphabet set and the corresponding generated plasma images of the computer-generated holograms are shown. 図25(a)は、単一の焦点から放射される規格化音圧のレーザパワー毎の比較を示す。図25(b)は、レーザビームの伝搬方向に対するプラズマスポットの周辺のマイク位置を示す。FIG. 25 (a) shows a comparison of normalized sound pressures emitted from a single focal point by laser power. FIG. 25B shows the microphone position around the plasma spot with respect to the propagation direction of the laser beam. 焦点距離毎の焦点位置の指向性のチャート比較を示す。A chart comparison of the directivity of the focal position for each focal length is shown. レーザパワー及びパルス幅毎の単一焦点から放射される規格化音圧のチャート比較を示す。A chart comparison of laser power and normalized sound pressure emitted from a single focal point for each pulse width is shown. レーザプラズマから放射される音波を示す。The sound wave emitted from the laser plasma is shown. ライトフィールド超音波フィールドの重畳波形を示す。The superimposed waveform of the light field ultrasonic field is shown. サウンドポイントの干渉パターンをシミュレートしたグラフィカルシミュレータの入出力スクリーンを示す。図30(a)は、グリッドのポイントを選択することによって音源の位置をユーザに入力できるようにしたグラフィカルユーザインタフェースを示す。図30(b)は、入力ポイントの組み合わせに対する指向性の結果を示す。図30(c)は、入力ポイントの他の組み合わせに対する指向性の結果を示す。図30(d)は、入力ポイントの特定の組み合わせに対するヒートマップを示す。図30(e)は、入力ポイントの他の組み合わせに対するヒートマップを示す。An input / output screen of a graphical simulator that simulates the interference pattern of sound points is shown. FIG. 30A shows a graphical user interface that allows the user to enter the position of a sound source by selecting points on the grid. FIG. 30B shows the result of directivity for the combination of input points. FIG. 30 (c) shows the result of directivity for other combinations of input points. FIG. 30 (d) shows a heat map for a particular combination of input points. FIG. 30 (e) shows a heat map for other combinations of input points. 本実施形態の空中音源を生成するシステムを示す。The system which generates the aerial sound source of this embodiment is shown. 本実施形態の空中音源を生成する別のシステムを示す。Another system for generating the aerial sound source of this embodiment is shown. 本実施形態の空中音源を生成する別のシステムを示す。Another system for generating the aerial sound source of this embodiment is shown. 本実施形態の空中音源を生成する別のシステムを示す。Another system for generating the aerial sound source of this embodiment is shown. 単一焦点の音波特性及び周波数特性を示す。図35(a)は、時間ドメインを示す。図35(b)は、周波数ドメインを示す。The sound wave characteristic and frequency characteristic of a single focus are shown. FIG. 35 (a) shows the time domain. FIG. 35 (b) shows the frequency domain. 図36(a)は、本実施形態の特定の照射パターンを有するマイクロレンズアレイを示す。図36(b)は、本実施形態の別の照射パターンを有するマイクロレンズアレイを示す。図36(c)は、図36(a)のマイクロレンズアレイを用いて誘起されるプラズマ分布に対応する理論上の音圧分布を示す。図36(d)は、図36(b)のマイクロレンズアレイを用いて誘起されるプラズマ分布に対応する理論上の音圧分布を示す。図36(e)は、マイクロレンズアレイによって生成される音圧分布を測定するための実験セットアップを示す。FIG. 36 (a) shows a microlens array having a specific irradiation pattern of this embodiment. FIG. 36B shows a microlens array with another irradiation pattern of this embodiment. FIG. 36 (c) shows the theoretical sound pressure distribution corresponding to the plasma distribution induced using the microlens array of FIG. 36 (a). FIG. 36 (d) shows the theoretical sound pressure distribution corresponding to the plasma distribution induced using the microlens array of FIG. 36 (b). FIG. 36 (e) shows an experimental setup for measuring the sound pressure distribution produced by the microlens array. 図37(a)は、本実施形態の音を生成するためのシステムを示す。図37(b)は、本実施形態の生成音の周波数を変更するためのシステムを示す。図37(c)は、本実施形態の生成音の周波数を変更するための別のシステムを示す。図37(d)は、本実施形態の生成音の周波数を変更するためのシステムを示す。FIG. 37 (a) shows a system for generating the sound of the present embodiment. FIG. 37B shows a system for changing the frequency of the generated sound of the present embodiment. FIG. 37 (c) shows another system for changing the frequency of the generated sound of this embodiment. FIG. 37 (d) shows a system for changing the frequency of the generated sound of the present embodiment. LCOS−SLMを用いることにより生成された2つの音源から放射される音の周波数成分毎の極性特性を示す。The polarity characteristics of each frequency component of the sound radiated from the two sound sources generated by using LCOS-SLM are shown. LCOS−SLMを用いることにより生成された4つの音源から放射される音の周波数成分毎の極性特性を示す。The polarity characteristics of each frequency component of the sound radiated from the four sound sources generated by using LCOS-SLM are shown. 本実施形態の振幅変調のためのシステムを示す。The system for amplitude modulation of this embodiment is shown. 本実施形態の実装可能な様々なスピーカ構成を示す。Various speaker configurations that can be implemented in this embodiment are shown. 本実施形態の空間音の様々なアプリケーションを示す。図42(a)は、3Dグラフィックスを伴う空間音の利用を示す。図42(b)は、空中グラフィックスを伴う空間音の利用を示す。図42(c)は、インタラクティブ空中グラフィックスを伴う空間音の利用を示す。Various applications of spatial sound of this embodiment are shown. FIG. 42 (a) shows the use of spatial sound with 3D graphics. FIG. 42 (b) shows the use of spatial sound with aerial graphics. FIG. 42 (c) shows the use of spatial sound with interactive aerial graphics. 本実施形態の3Dグラフィックスを伴う空間音の他のアプリケーションを示す。Other applications of spatial sound with 3D graphics of this embodiment are shown. 図44は、10kHz、20kHz、30kHz、40kHz、50kHz、60kHz、70kHz、80kHz、及び、90kHzの指向性特性を示す。FIG. 44 shows the directivity characteristics of 10 kHz, 20 kHz, 30 kHz, 40 kHz, 50 kHz, 60 kHz, 70 kHz, 80 kHz, and 90 kHz.

本発明は、フェムト秒レーザを用いて、触ることができる空中ボルメトリックグラフィックスを生成し、且つ、没入型オーディオを生成するシステムを提供する。本明細書に開示および記載されている本実施形態に従って、空気中に生成されるレーザ誘誘起スポットを用いて、インタラクティブなオーディオビジュアル体験を提供する。本実施形態の目的は、汎用的、且つ、広範囲なアプリケーションのために安全且つスケーラブルな高輝度レーザを実現することである。 The present invention provides a system that uses a femtosecond laser to generate touchable aerial volmetric graphics and generate immersive audio. According to the present embodiments disclosed and described herein, laser-induced spots generated in the air are used to provide an interactive audiovisual experience. An object of the present embodiment is to realize a safe and scalable high-intensity laser for a wide range of applications.

光スポットを生成するレーザ誘起効果には、蛍光、キャビテーション、及び、イオン化を含む3つのタイプがある。関連する特定の効果は、ディスプレイ媒体に依存する。図1(a)〜(d)は、様々なディスプレイ毎のレーザ誘起効果媒体を示している。 There are three types of laser inductive effects that produce light spots, including fluorescence, cavitation, and ionization. The particular effect involved depends on the display medium. 1 (a)-(d) show various laser-induced effect media for each display.

レーザを使用して蛍光溶液または蛍光体を励起すると、レーザ誘起蛍光が発生する。はじめに、原子が1つ以上の光子を吸収すると、分子又は原子中の軌道電子が励起される。次に、電子が緩和すると、新しい光子が放出される。2つの光子が同時に吸収されると、放出された光子の波長は元の光子の半分になる。電子の励起に必要な波長は、蛍光物質の種類によって異なる。N個の光子が同時に吸収されると、放射光はN倍の短波長を持つ。この効果は、比較的低強度のレーザで発生する(nJ〜mJのエネルギーで十分である)。 Laser-induced fluorescence occurs when a fluorescent solution or phosphor is excited using a laser. First, when an atom absorbs one or more photons, the orbital electrons in the molecule or atom are excited. Then, as the electrons relax, new photons are emitted. When two photons are absorbed at the same time, the wavelength of the emitted photon is half that of the original photon. The wavelength required to excite an electron depends on the type of fluorescent substance. When N photons are absorbed at the same time, the synchrotron radiation has a short wavelength N times. This effect occurs with relatively low intensity lasers (energy from nJ to mJ is sufficient).

レーザを使用して液体媒体を励起すると、レーザ誘起キャビテーションが発生する。マイクロバブルが、液体媒質中のレーザの焦点で生成される。このローカライズされたマイクロバブルのクラスタは、入射レーザを拡散するので、レーザは点光として観察される。この点光の色は、入射レーザの波長に直接依存する。この事実は、複数のレーザを使用してRGB画像を表現できることを示している。この効果は、材料にかかわらず、且つ、マイクロバブルの生成に強烈なレーザが必要である。 Laser-induced cavitation occurs when a liquid medium is excited using a laser. Microbubbles are generated at the focal point of the laser in the liquid medium. This localized cluster of microbubbles diffuses the incident laser so that the laser is observed as a pointed light. The color of this point light depends directly on the wavelength of the incident laser. This fact indicates that RGB images can be represented using multiple lasers. This effect requires an intense laser to generate microbubbles, regardless of the material.

最後に、レーザを使用してガス媒体を励起すると、レーザ誘起イオン化が発生する。特に、トンネルイオン化は、十分な可視光を生成することができ、レーザ強度が1014W/cmより大きい場合に特に優位に発生する。分子または原子の井戸型ポテンシャルは、ポテンシャル障壁を有する高輝度レーザの電界によって変形し、次いで、電子は、トンネル効果に基づいて原子から離脱する(すなわち、イオン化する)機会を有する。レーザの強度が高くなるほど、トンネルイオン化の確率が高くなる、すなわち、より多くの電子がイオン化されることが知られている。イオン化された電子は、半周期後の原子と組み換えられ、且つ、フォトンが放出される(この効果は、レーザ破壊と呼ばれる)。放出された光は、青白色を有する。 Finally, laser-induced ionization occurs when the gas medium is excited using a laser. In particular, tunnel ionization can generate sufficient visible light and occurs particularly predominantly when the laser intensity is greater than 1014 W / cm 2. The well-shaped potential of a molecule or atom is deformed by the electric field of a high-intensity laser with a potential barrier, and then the electrons have the opportunity to leave (ie, ionize) the atom based on the tunneling effect. It is known that the higher the intensity of the laser, the higher the probability of tunnel ionization, that is, the more electrons are ionized. The ionized electrons are recombined with atoms after a half cycle and photons are emitted (this effect is called laser destruction). The emitted light has a bluish white color.

本実施形態は、空中でより容易に実現され、且つ、より広範囲なアプリケーションを有することから、イオン化効果に着目するが、他の効果は、ディスプレイ媒体毎に議論されることを考慮されたい。さらに、本実施形態で誘起されるプラズマは、触れることができる。さらに、誘起されるプラズマは、音波を生成するために変調することができるインパルス状の衝撃波を生成する。 This embodiment focuses on the ionization effect because it is easier to implement in the air and has a wider range of applications, but consider that other effects are discussed for each display medium. Furthermore, the plasma induced in this embodiment can be touched. In addition, the induced plasma produces an impulse-like shock wave that can be modulated to generate sound waves.

図2は、本実施形態お同時マルチポイントボルメトリックグラフィックスを生成するシステム100を示す。システム100は、システムコントローラ101と、フェムト秒レーザ光源110と、空間光変調器120と、3次元位置スキャナ(ガルバノミラースキャナユニット130およびバリフォーカルレンズ135を含む)と、対物レンズ160と、光学レンズ及びミラー140、142、144、146、及び、148と、を備える。システム100は、様々なディスプレイ媒体(例えば、空気及び水を含む)に画像を表示するのに使用可能である。 FIG. 2 shows a system 100 that generates simultaneous multipoint volmetric graphics of the present embodiment. The system 100 includes a system controller 101, a femtosecond laser light source 110, a spatial light modulator 120, a three-dimensional position scanner (including a galvanometer mirror scanner unit 130 and a varifocal lens 135), an objective lens 160, and an optical lens. And mirrors 140, 142, 144, 146, and 148. System 100 can be used to display images on various display media (including, for example, air and water).

システムコントローラ101は、空間光変調器120と、ガルバノスキャナ部130と、バリフォーカルレンズレンズ135と、に作動的に結合される。光回路を介して、レーザパルスビームを指向させることにより、ワークスペース190で画像195を形成する。システムコントローラ101は、これらのコンポーネントをオブジェクトイメージに対応させ、且つ、フェムト秒光源110を同期させることにより、システムコントローラ101によって生成されたグラフィックスを形成する。 The system controller 101 is operatively coupled to the spatial light modulator 120, the galvano scanner unit 130, and the varifocal lens lens 135. Image 195 is formed in workspace 190 by directing a laser pulse beam through an optical circuit. The system controller 101 forms the graphics generated by the system controller 101 by associating these components with the object image and synchronizing the femtosecond light source 110.

図2に示すように、フェムト秒光源110は、空間光変調器120によって変調されるレーザパルスビーム112を生成する。変調レーザパルスビームは、ビームレデューサとして作用する2つのレンズ140及び142を通過する。次に、レーザパルスビームは、ガルバノスキャナユニット130によって方向が変わり、ワークスペース190におけるレーザ光のXY軸上の焦点が決まる。方向が変わったレーザパルスビームは、ビームエキスパンダとして作用する2つのレンズ144及び146を通過する。次に、レーザパルスビームは、ミラー148によって方向が変えられ、バリフォーカルレンズユニット135を通過することにより、ワークスペース190におけるレーザ光のZ軸上の焦点が決まる。最後に、レーザパルスビームは、対物レンズ160に入射し、ワークスペース190におけるディスプレイ媒体(例えば、空気、水、蛍光板、又は、蛍光液)の特定の位置を励起させる焦点に集束する。 As shown in FIG. 2, the femtosecond light source 110 produces a laser pulse beam 112 modulated by the spatial light modulator 120. The modulated laser pulse beam passes through two lenses 140 and 142 that act as beam reducers. Next, the direction of the laser pulse beam is changed by the galvano scanner unit 130, and the focus of the laser light on the XY axis in the workspace 190 is determined. The altered laser pulse beam passes through two lenses 144 and 146 that act as beam expanders. The laser pulse beam is then redirected by the mirror 148 and passes through the varifocal lens unit 135 to determine the focus of the laser light on the Z axis in the workspace 190. Finally, the laser pulse beam is incident on the objective lens 160 and focused on a focal point that excites a particular position on the display medium (eg, air, water, fluorescent screen, or fluorescent fluid) in the workspace 190.

システムコントローラ101は、例えば、従来のビデオ出力ポート(例えば、DVIポート)及びUSB(Universal Serial Bus)ポートを有するパーソナルコンピュータ (以下「PC」という)とすることができる。 The system controller 101 can be, for example, a personal computer (hereinafter referred to as “PC”) having a conventional video output port (for example, a DVI port) and a USB (Universal Serial Bus) port.

フェムト秒光源120は、市販のレーザを使用することができる。超短パルスは、低強度且つ長時間のパルスを高輝度且つ短時間のパルスに変換するおとによって生成可能である。時間平均レーザ出力が一定である場合、ピーク強度はパルス幅によって異なる。例えば、30fsパルス幅は、同一の時間平均出力の点で、100fsパルス幅より大きなピーク強度を有する。空中プラズマ生成に関しては、パルス幅よりレーザピーク強度の方が重要である。 A commercially available laser can be used as the femtosecond light source 120. Ultrashort pulses can be generated by adults who convert low intensity and long time pulses into high brightness and short time pulses. When the time average laser output is constant, the peak intensity depends on the pulse width. For example, the 30 fs pulse width has a peak intensity greater than the 100 fs pulse width in terms of the same time average output. For aerial plasma generation, the laser peak intensity is more important than the pulse width.

ボルメトリックディスプレイ用のフェムト秒光源の選択においては、ディスプレイ媒体が主なファクタである。光スポットの誘起方法に応じて利用可能な波長が異なる。イオン化の場合、プラズマ色は、波長非依存であるので、不可視波長(例えば、赤外線又は紫外線)の使用が妥当である。蛍光の場合、複数の光子が分子によって吸収され、且つ、より短波長の単一光子となるので、多電子蛍光が妥当である。このように、発光が可視である場合にのみ、不可視の紫外光が利用可能である。一方、キャビテーションを適用する場合、入射波長はマイクロバブルによって拡散され、観測され、且つ、普遍であるので、発光体として可視波長を使用する必要がある。 The display medium is a major factor in the selection of femtosecond light sources for volmetric displays. Available wavelengths vary depending on the method of inducing the light spot. In the case of ionization, the plasma color is wavelength independent, so the use of invisible wavelengths (eg, infrared or ultraviolet) is appropriate. In the case of fluorescence, multi-electron fluorescence is appropriate because a plurality of photons are absorbed by the numerator and become a single photon having a shorter wavelength. Thus, invisible UV light is available only when the emission is visible. On the other hand, when cavitation is applied, it is necessary to use a visible wavelength as a light emitter because the incident wavelength is diffused by microbubbles, observed, and universal.

空間光変調器120は、ホログラムの形成に利用可能な光学デバイスであるSLM(Spatial Light Modulator)の市販品を使用可能である。SLMは、位相及び強度の少なくとも1つを変調し、且つ、干渉に基づく様々な光の空間分布を発生させる。これは、任意のレーザパターンの生成に使用可能である。これは、コンピュータ生成ホログラム(CGH)、すなわち、レーザビームの2次元断面に基づく計算位相変調を適用することによって実現される。所望の出力画像及びそれに対応するCGHの例を図5(a)及び図5(c)に示す。図5(a)は、ターゲット画像を示す。図5(c)は、ターゲット画像から得られるCGHを示す。SLMは、CGH画像を使用してレーザパルスビームを変調する。したがって、SLMは、1つのレーザパルスビーム(同時にアドレスされたボクセルを含む)から、3次元空間で1つ以上の焦点を生成する。 As the spatial light modulator 120, a commercially available product of SLM (Spatial Light Modulator), which is an optical device that can be used for forming a hologram, can be used. SLMs modulate at least one of phase and intensity and generate various spatial distributions of light based on interference. It can be used to generate any laser pattern. This is achieved by applying a computer-generated hologram (CGH), i.e., computational phase modulation based on a two-dimensional cross section of the laser beam. Examples of the desired output image and the corresponding CGH are shown in FIGS. 5 (a) and 5 (c). FIG. 5A shows a target image. FIG. 5C shows the CGH obtained from the target image. The SLM uses a CGH image to modulate the laser pulse beam. Therefore, the SLM produces one or more focal points in three-dimensional space from one laser pulse beam (including voxels addressed at the same time).

本実施形態では、任意の所望の3Dグラフィックスは、以下のようなSLMを用いた計算ホログラフィによって生成することができる。 In this embodiment, any desired 3D graphics can be generated by computational holography using SLM as follows.

光の空間的位相制御によって、横(XY)方向と軸(Z)方向の両方に沿って焦点位置を制御することができる。コンピュータ生成ホログラム(CGH)Uからの再構成の複素振幅(CA)は、設計されたCGHパターンUのフーリエ変換によって与えられる。

Figure 0006935094
ここで、SLMに表示されるホログラム面の振幅及び位相は、それぞれ、再構成される面の振幅及び位相である。単純化すると、CGHに対する放射光が均一な強度分布を有する平面波として近似することができる場合、一定であるとみなせる。これは、ORA(Optimal Rotation Angle)法により導出される。再構成の空間強度分布が、|U=a として、実際に観察された。 The spatial phase control of light allows the focal position to be controlled along both the lateral (XY) and axial (Z) directions. Computer generated holograms (CGH) the complex amplitude of the reconstruction from U r (CA) is given by the Fourier transform of the designed CGH pattern U h.
Figure 0006935094
Here, the amplitude and phase of the hologram surface displayed on the SLM are the amplitude and phase of the surface to be reconstructed, respectively. To simplify, if the synchrotron radiation to CGH can be approximated as a plane wave with a uniform intensity distribution, it can be considered constant. This is derived by the ORA (Optimal Rotation Angle) method. The spatial intensity distribution of the reconstruction was actually observed as | Ur | 2 = a r 2.

横(XY)方向に沿った集束位置の制御に対して、CGHは、多様な方位角を持つブレーズグレーティングのCAsの重ね合わせに基づいて設計される。再構成がN個のマルチ集束スポットを有する場合、CGHは、Nブレーズグレーティングを含む。軸(Z)方向に沿った集束位置の制御において、位相フレネルレンズパターンは、φに単純加算される。

Figure 0006935094
ここで、誘起スポットの大きさがレーザの焦点の大きさに等しい場合、SLMの空間分解能が最小焦点距離を決める。 For controlling the focusing position along the lateral (XY) direction, the CGH is designed based on the superposition of CAs of blaze gratings with various azimuth angles. If the reconstruction has N multi-focused spots, the CGH comprises an N blaze grating. In controlling the focusing position along the axis (Z) direction, the phase Fresnel lens pattern is simply added to φ h.
Figure 0006935094
Here, if the magnitude of the induced spot is equal to the magnitude of the focal point of the laser, the spatial resolution of the SLM determines the minimum focal length.

ORA法は、一様な強度を持つスポットアレイから構成されるCGHの再構成を得るための最適化アルゴリズムである。図4(a)及び図4(c)は、元画像、及び、元画像に対応するCGHの一例を示す。これは、i番目の反復プロセスにおいて、ピクセルhの振幅をa、ピクセルhの位相をφ、再構成平面上の集束位置に対応するピクセルrの複素振幅を(CA)U (i)とすると、コンピュータでは以下のように記述される。

Figure 0006935094
ここで、Uhrは、CGH平面上のピクセルhから再構成平面上のピクセルrまで影響を受けるCAであり、φhrは、ピクセルhからピクセルrまでの光伝搬によって影響を受ける位相であり、ω (i)は、ピクセルrの光強度を制御する重み係数である。ピクセルr毎の光強度の合計Σ|U (i)を最大化するために、ピクセルhでφ (i)に加算される位相変化Δφ (i)は、以下の数式を用いて計算される。
Figure 0006935094
Figure 0006935094
Figure 0006935094
ここで、ωは、再構成平面上のピクセルrでの位相である。CGHφ (i)は、Δφ (i)によって以下のように更新される。
Figure 0006935094
さらに、ω (i)は、また、再構成平面上のピクセルrでの光強度を制御するために、式(7)のフーリエ変換によって得られる再構成の光強度に応じて更新される。
Figure 0006935094
ここで、I (i)=|U (i)は、i番目の反復プロセスにおいて、最高性平面上のピクセルrでの光強度であり、i (d)は、所望の光強度であり、αは一定である。I (i)がI (d)に略等しくなるまで、位相変化Δφ (i)は、上記繰り返しプロセス(式(4)〜(8))によって最適化される。したがって、ORA法は、高品質なCGHの生成を容易にする。 The ORA method is an optimization algorithm for obtaining a reconstruction of a CGH composed of spot arrays having uniform intensities. 4 (a) and 4 (c) show the original image and an example of the CGH corresponding to the original image. This means that in the i-th iterative process, the amplitude of pixel h is a h , the phase of pixel h is φ h , and the complex amplitude of pixel r corresponding to the focusing position on the reconstruction plane is (CA) Ur (i). Then, in the computer, it is described as follows.
Figure 0006935094
Here, U hr is a CA that is affected from pixel h on the CGH plane to pixel r on the reconstruction plane, and φ hr is a phase that is affected by light propagation from pixel h to pixel r. ω r (i) is a weighting coefficient that controls the light intensity of the pixel r. The phase change Δφ h (i) added to φ h (i) at pixel h in order to maximize the total light intensity for each pixel r Σ r | Ur (i) | 2 is calculated by the following formula. Calculated using.
Figure 0006935094
Figure 0006935094
Figure 0006935094
Here, ω r is the phase at pixel r on the reconstruction plane. CGHφ h (i) is updated by Δφ h (i) as follows.
Figure 0006935094
Further, ω r (i) is also updated according to the light intensity of the reconstruction obtained by the Fourier transform of the equation (7) in order to control the light intensity at the pixel r on the reconstruction plane.
Figure 0006935094
Here, I r (i) = | U r (i) | 2 is the i th iterative process, a light intensity at a pixel r on the highest of the plane, i r (d) the desired optical It is the intensity, and α is constant. I r (i) until substantially equal to I r (d), the phase change [Delta] [phi h (i) is optimized by the iterative process (equation (4) to (8)). Therefore, the ORA method facilitates the production of high quality CGH.

一般に、SLMは、レーザビームの強度及び位相の少なくとも1つを変調するピクセルのアレイを有する。SLMsは、動的に再構成可能なピクセルを有する。例えば、SLMsは、位相を変調するLCOS SLMsと、強度を変調するDMD SLMsと、を含む。デュアルマスクSLMsは、位相及び強度の両方を変調することができる。 In general, an SLM has an array of pixels that modulates at least one of the intensity and phase of the laser beam. SLMs have dynamically reconstructable pixels. For example, SLMs include LCOS SLMs that modulate the phase and DMD SLMs that modulate the intensity. Dual mask SLMs can modulate both phase and intensity.

液晶SLMsは、液晶分子の層を含む。この層における液晶分子の配向は、電極(すなわち、ピクセル)によって制御され、且つ、この層内で反射又は通過する光線の位相は、液晶分子の配向に応じて空間的に変調される。つまり、2種類の液晶ベースSLMs(液晶(LC)−SLMs及びシリコン上の液晶(LCOS)−SLMs)がある。 Liquid crystal SLMs include a layer of liquid crystal molecules. The orientation of the liquid crystal molecules in this layer is controlled by the electrodes (ie, pixels), and the phase of the light rays reflected or passing through this layer is spatially modulated according to the orientation of the liquid crystal molecules. That is, there are two types of liquid crystal-based SLMs (liquid crystal (LC) -SLMs and liquid crystal (LCOS) -SLMs on silicon).

LC−SLMは、液晶ディスプレイ(LCD)及びレーザダイオード(LD)と結合された、平行配向したネマチック液晶空間光変調器(PAL−SLM)である。このデバイスは、リアルタイムCGHsの表示によく使用される。PAL−SLMは、液晶層と、指定された波長範囲の誘電体ミラー層と、アモルファスシリコンを含む光学的にアドレスされた光導電層と、を有する。これらの層は、2つの透明なインジウムスズ酸化物電極間に挟持される。液晶層の液晶分子は、平行に配置される。入射光が光導電層に入射すると、光導電層のインピーダンスが小さくなり、且つ、それに応じて液晶層の電界が増加する。この電解の増加に伴い、液晶分子は、読み出し光の伝搬方向に傾き、且つ、液晶層の実効屈折率が減少する。フェムト秒レーザの偏光方向が液晶分子の方向と平行である場合にのみ、純粋な位相変調が発生する。LDによって照射されたLCD上のCGHパターンは、イメージング光学を介して、光導電層に適用される。 The LC-SLM is a parallel oriented nematic liquid crystal spatial light modulator (PAL-SLM) coupled with a liquid crystal display (LCD) and a laser diode (LD). This device is often used to display real-time CGHs. The PAL-SLM has a liquid crystal layer, a dielectric mirror layer in a specified wavelength range, and an optically addressed photoconductive layer containing amorphous silicon. These layers are sandwiched between two transparent indium tin oxide electrodes. The liquid crystal molecules in the liquid crystal layer are arranged in parallel. When the incident light enters the photoconductive layer, the impedance of the photoconductive layer decreases, and the electric field of the liquid crystal layer increases accordingly. With this increase in electrolysis, the liquid crystal molecules are inclined in the propagation direction of the readout light, and the effective refractive index of the liquid crystal layer decreases. Pure phase modulation occurs only when the polarization direction of the femtosecond laser is parallel to the direction of the liquid crystal molecules. The CGH pattern on the LCD illuminated by the LD is applied to the photoconductive layer via imaging optics.

LCOS−SLMは、液晶層がシリコン基板上に配置された構造を有する空間光変調器である。電気アドレス指定回路は、半導体技術によりシリコン基板上に形成される。トップ層は、それぞれが独立して、その電気的電位を制御するアルミニウム電極によって作られたピクセルを含む。シリコン基板上に一定の間隙を保ったままガラス基板を配置し、その間隙に液晶材料を充填する。液晶分子は、シリコン基板とガラス基板に適用された配向制御技術によって、両基板間にねじれがない状態で平行に配向される。液晶層を挟んだ電界は、ピクセル単位で制御することができる。これは、光の位相を変調することができるように、電界に応じて液晶分子を傾かせる。また、誘電体ミラー層は、反射率を向上させることにより、内部吸収を低減し、高出力レーザでの動作を可能にする。 The LCOS-SLM is a spatial light modulator having a structure in which a liquid crystal layer is arranged on a silicon substrate. The electrical addressing circuit is formed on a silicon substrate by semiconductor technology. The top layer contains pixels, each independently made of aluminum electrodes that control its electrical potential. A glass substrate is placed on the silicon substrate while maintaining a certain gap, and the gap is filled with a liquid crystal material. The liquid crystal molecules are oriented in parallel with no twist between the two substrates by the orientation control technique applied to the silicon substrate and the glass substrate. The electric field sandwiching the liquid crystal layer can be controlled on a pixel-by-pixel basis. This tilts the liquid crystal molecules in response to the electric field so that the phase of the light can be modulated. In addition, the dielectric mirror layer reduces internal absorption by improving the reflectance and enables operation with a high-power laser.

デジタルマイクロミラーデバイス(DMD)は、顕微鏡の層、すなわちピクセルと、ミラーの位置を制御する各ミラーで2対の電極と、を含む。各顕微鏡は、オン又はオフを個別に切り替え可能である。この層で反射した光線の振幅は、ミラーの方向に応じて空間的に調整される。 A digital micromirror device (DMD) includes a layer of a microscope, a pixel, and two pairs of electrodes in each mirror that controls the position of the mirror. Each microscope can be turned on or off individually. The amplitude of the light rays reflected by this layer is spatially adjusted according to the direction of the mirror.

換言すると、SLMsは、光学フェーズドアレイとして機能する。このように、光の波を正確に制御することにより、SLMは、ホログラムを生成する光ビームパターン形成に利用可能である。式(3)〜(8)を参照すると、LCOS SLMに関しては、aは1に固定され、φが算出される。代わりに、DMD SLMに関しては、φは0に固定され、aは0≦a≦1で計算される。その後、aは0又は1に丸められる。aが0の場合、0≦a≦0.5であり、且つ、aが0.5の場合、0.5<a≦1である。 In other words, the SLMs function as an optical phased array. By precisely controlling the wave of light in this way, the SLM can be used to form a light beam pattern that produces a hologram. With reference to equations (3) to (8), for LCOS SLM, a h is fixed at 1 and φ h is calculated. Instead, for DMD SLM, φ h is fixed at 0 and a h is calculated as 0 ≦ a h ≦ 1. After that, a h is rounded to 0 or 1. When a h is 0, 0 ≦ a h ≦ 0.5, and when a h is 0.5, 0.5 < ah ≦ 1.

ボルメトリックディスプレイ用のSLMの選択においては、SLMの分解能及びスピードが主に考慮すべき要因である。LCOS SLMは、DMD SLMと比べて、より高い回折効率を有するにもかかわらず、より低い動作周波数を有する。これは、LCSO SLMsは、遅いが高分解能であることを意味する。DMD SLMは、LCOS−SLMに比べて、より高い熱抵抗を有し、且つ、より高い動作周波数を有する。考慮すべき要因の概要を表1に示す。

Figure 0006935094
図2は、反射型SLMsに基づく光学回路を示すが、反射型SLMsに代えて、透過型SLMsも利用可能である。好ましくは、SLM120は、ネマチック液晶素子を使用する反射型線形アレイSLMであり、例えば、液晶SLMs(LC−SLMs)及びシリコンekしようSLMs(LCOS−SLMs)を含む。SLM120のエネルギー変換効率は、約65%〜約95%になるべきである。 In selecting an SLM for a vormetric display, the resolution and speed of the SLM are the main factors to consider. LCOS SLMs have a lower operating frequency than DMD SLMs, even though they have higher diffraction efficiencies. This means that LCSO SLMs are slow but have high resolution. The DMD SLM has a higher thermal resistance and a higher operating frequency than the LCOS-SLM. Table 1 outlines the factors to consider.
Figure 0006935094
FIG. 2 shows an optical circuit based on reflective SLMs, but transmissive SLMs can be used instead of reflective SLMs. Preferably, the SLM 120 is a reflective linear array SLM that uses a nematic liquid crystal element and includes, for example, liquid crystal SLMs (LC-SLMs) and silicon eks SLMs (LCOS-SLMs). The energy conversion efficiency of SLM120 should be from about 65% to about 95%.

現在市販されているSLMsは、強力なレーザ光源に対する耐性がないため、レーザ光源のレーザパワーを最大限に活用することはできない。さらに、光回路は、高強度レーザを使用する場合、光回路にイオン化が発生することがあるため、慎重な開発及び処理が必要である。これは、出力エネルギーを低減させ、且つ、光学部品を破壊することがある。 Since the SLMs currently on the market are not resistant to a strong laser light source, the laser power of the laser light source cannot be fully utilized. Further, the optical circuit requires careful development and processing because ionization may occur in the optical circuit when a high-intensity laser is used. This reduces the output energy and may destroy the optics.

SLMの代替は、受動型小型レンズアレイ、すなわちマイクロレンズアレイである変調器である。マイクロレンズアレイの開口部には、孔を有するカバー(例えば、ペーパシート)がセットされる。各レンズは独自の焦点を有するので、変調器は、マルチアクセスを提供する。変調器は静的であるが、高分解能という利点を有する。 An alternative to SLM is a modulator that is a passive small lens array, i.e. a microlens array. A cover having holes (for example, a paper sheet) is set in the opening of the microlens array. The modulator provides multi-access because each lens has its own focus. Although the modulator is static, it has the advantage of high resolution.

3次元位置スキャナは、市販されている光学素子の組み合わせで実現可能である。図2に示された3次元位置スキャナは、ガルバノスキャナユニット130と、バリフォーカルレンズ135と、を備える。ガルバノスキャナユニット130は、横方向に沿った光点をスキャンし(Xスキャン及びYスキャン)、バリフォーカルレンズ135は、軸方向の焦点を変えることができる(Zスキャン)。ガルバノスキャナユニット130及びバリフォーカルレンズ135は、システムコントローラ101によって制御される。さらに、システムコントローラは、追加の制御回路と組み合わせても良い。 The three-dimensional position scanner can be realized by combining commercially available optical elements. The three-dimensional position scanner shown in FIG. 2 includes a galvano scanner unit 130 and a varifocal lens 135. The galvano scanner unit 130 scans the light spots along the lateral direction (X scan and Y scan), and the varifocal lens 135 can change the focal point in the axial direction (Z scan). The galvano scanner unit 130 and the varifocal lens 135 are controlled by the system controller 101. In addition, the system controller may be combined with additional control circuitry.

別の例示的な実施形態では、光の空間位相制御が横(XY)方向及び軸(Z)方向の両方に沿って集束位置の制御を可能にするので、SLMを3次元スキャナとして用いても良い。 In another exemplary embodiment, the SLM can also be used as a three-dimensional scanner, as spatial phase control of light allows control of the focusing position along both the lateral (XY) and axial (Z) directions. good.

したがって、3次元位置スキャナに関しては、当業者は、任意の位置にポイントを配置するための3つのオプションがあることを理解されたい。1つ目のオプションは、ガルバノスキャナ及びバリフォーカルレンズを調整することによりレーザを誘導するものである。2つ目のオプションは、SLMによってレーザの断面分布を変調することによって焦点を変化させるものである。SLM、並びに、ガルバノスキャナユニット及びバリフォーカルレンズの組み合わせは、略同一の領域にグラフィックスを形成することができる。これらのデバイスの条件及び応答時間が、適当な3次元位置スキャナを決める。3つ目のオプションは、SLM、ガルバノスキャナユニット、及び、バリフォーカルレンズの組み合わせである。 Therefore, for 3D position scanners, one of ordinary skill in the art should understand that there are three options for placing points at any position. The first option is to guide the laser by adjusting the galvano scanner and varifocal lens. The second option is to change the focus by modulating the cross-sectional distribution of the laser with SLM. The SLM and the combination of the galvano scanner unit and the varifocal lens can form graphics in substantially the same area. The conditions and response times of these devices determine a suitable 3D position scanner. The third option is a combination of SLM, galvano scanner unit, and varifocal lens.

SLMは、単一フレームの追加ドットの形成に使用され、ガルバノスキャナは、主に形成されたホログラムの位置決めに使用される。1kHzの周波数でパルス化されるフェムト秒レーザに関しては、理論的なレンダリング限界は、毎秒30フレームについて毎秒33ドットである。 The SLM is used to form additional dots in a single frame, and the galvano scanner is primarily used to position the formed hologram. For femtosecond lasers pulsed at a frequency of 1 kHz, the theoretical rendering limit is 33 dots per second for 30 frames per second.

システムコントローラ101は、一般的なパーソナルコンピュータ(以下「PC」という)である。PCは、カスタムソフトウェアアプリケーションを実行し、且つ、3次元位置スキャナと直接的又は間接的に(例えば、USBケーブル、又は、光学的インタフェース回路ボード、すなわちPCIドライバボードを介して)、接続される。好ましくは、システムコントローラ101は、USBを介してガルバノスキャナユニット130及びボイバリフォーカルレンズ135と接続される。 The system controller 101 is a general personal computer (hereinafter referred to as "PC"). The PC runs a custom software application and is directly or indirectly connected to the 3D position scanner (eg, via a USB cable or an optical interface circuit board, ie a PCI driver board). Preferably, the system controller 101 is connected to the galvano scanner unit 130 and the vocalifocal lens 135 via USB.

SLMsは、標準的なコンピュータシステムのビデオ出力ポート(例えば、DVIポート)と接続可能なコントロールインタフェースポートがある。液晶分子又はマイクロミラーの配向は、ピクセル単位で制御可能である。好ましくは、SLM120は、DVIポートを介して外部ディスプレイとしての制御コントローラ101に接続される。 SLMs have control interface ports that can be connected to standard computer system video output ports (eg, DVI ports). The orientation of the liquid crystal molecules or micromirrors can be controlled on a pixel-by-pixel basis. Preferably, the SLM 120 is connected to the control controller 101 as an external display via a DVI port.

システムコントローラ101は、所望の出力画像に基づいてCGHを駆動し、且つ、フェムト秒レーザ光源110と同期して、SLM120、ガルバノスキャナユニット130、及び、バリフォーカルレンズ135を制御することにより、ワークスペース190に出力画像を表示する。ワークスペース190をモニタするために、カメラが、システムコントローラ101に接続可能である。 The system controller 101 drives the CGH based on the desired output image and controls the SLM 120, the galvano scanner unit 130, and the varifocal lens 135 in synchronization with the femtosecond laser light source 110 to control the workspace. The output image is displayed on 190. A camera can be connected to the system controller 101 to monitor the workspace 190.

対物レンズには、市販の光学レンズを使用可能である。対物レンズは、特殊なレンズではなく、光回路の端に配置された通常の光学レンズである。対物レンズは、空中プラズマの生成に必要である。レーザプラズマの生成は、レーザパワー(PW/cm)を必要とする。したがって、対物レンズは、光を集束させて、焦点を形成することにより、空中プラズマを生成するために必要である。ガルバノスキャナユニット130の角度レンジ、すなわちXYスキャニングは、対物レンズの絞りサイズによって制限されるので、対物レンズの絞りサイズは、最大ワークスペースを規定する。絞りサイズが大きくなるほど、ガルバノスキャナの角度レンジが広がるが、絞りサイズが小さくなるほど、レーザパワーが大きくなる。 A commercially available optical lens can be used as the objective lens. The objective lens is not a special lens, but an ordinary optical lens arranged at the end of an optical circuit. Objective lenses are required to generate aerial plasma. Laser plasma generation requires laser power (PW / cm 2 ). Therefore, an objective lens is needed to generate an aerial plasma by focusing light and forming a focal point. Since the angular range of the galvano scanner unit 130, i.e. XY scanning, is limited by the aperture size of the objective lens, the aperture size of the objective lens defines the maximum workspace. The larger the aperture size, the wider the angle range of the galvano scanner, but the smaller the aperture size, the larger the laser power.

他の例示的な実施形態では、対物レンズは任意である。水の励起に必要なレーザパワーは、空気の励起に必要なレーザパワーより小さい。したがって、表示媒体として水を用いるボルメトリックディスプレイでは、対物レンズは必要ない。これらのディスプレイのワークスペースのサイズは、ガルバノスキャナの角度範囲と、及び、バリフォーカルレンズレンズの深度範囲と、によって制限される。 In other exemplary embodiments, the objective lens is optional. The laser power required to excite water is less than the laser power required to excite air. Therefore, an objective lens is not required for a volmetric display that uses water as a display medium. The size of the workspace of these displays is limited by the angular range of the galvano scanner and the depth range of the varifocal lens.

図2に示す実施形態では、光回路は、一対のビームエキスパンダレンズと、一対のレデューサレンズと、を含む。これらのビームエキスパンダ及びレデューサレンズは、市販の光学レンズである。これらは、レーザビームのビームスポットサイズの調整に使用され、且つ、商業目的、すなわち、ビームスポットサイズ毎に光学回路の素子が動作する場合に追加される。 In the embodiment shown in FIG. 2, the optical circuit includes a pair of beam expander lenses and a pair of reducer lenses. These beam expander and reducer lenses are commercially available optical lenses. These are used for adjusting the beam spot size of the laser beam and are added for commercial purposes, that is, when the elements of the optical circuit operate for each beam spot size.

ディスプレイ媒体は、潜在的なインタラクションを決める上でのキーファクタであるが、これは、ボクセルの輝度が選択された媒体の吸収レートに依存するためである。必要なエネルギーのオーダが空気から水に向かって減少する。したがって、トンネルイオン化に関する空気のブレイクダウンは、PW/cmオーダのエネルギーを必要とする一方、水は、MW/cmオーダのエネルギーを必要とする。さらに、媒体の柔らかさもインタラクションを決める。 The display medium is a key factor in determining potential interactions, as the brightness of the voxels depends on the absorption rate of the selected medium. The order of energy required decreases from air to water. Thus, air breakdown for tunnel ionization requires energy on the order of PW / cm 2 while water requires energy on the order of MW / cm 2. In addition, the softness of the medium also determines the interaction.

空中プラズマを使用すると、ユーザは手を挿入することができ、またプラズマに触れることができる。フルカラーレーザ光源が採用された場合、キャビテーションによって起こる液体ボクセルは、フルカラー表現をもたらす。しかし、空気ブレイクダウン法は、モノクロ表現のみを提供することができる。 Aerial plasma allows the user to insert and touch the plasma. When a full-color laser source is adopted, the liquid voxels caused by cavitation provide a full-color representation. However, the air breakdown method can only provide a monochrome representation.

ボクセルのサイズ(すなわち、発光効果)は、レーザの焦点の大きさに関する。焦点は、通常、2つの直径を有する卵形である。1つは、レーザビームのパスに垂直な直径wである。これは回折限界であり、且つ、オリジナルビーム幅a、焦点距離r、及び、波長λによって決まり、以下のように表される。

Figure 0006935094
もう1つは、レーザビームのパスに平行な直径wである。これは、a:w=r:w/2の関係から、幾何学的に以下のように導かれる。
Figure 0006935094
高輝度レーザによって生成された発光ドットは、伝搬方向(フィラ)に沿った尾を有する。尾は、光学的カー効果に起因して振る舞う自己集束として生成される。それは、レーザビームの自然回折と競合し、且つ、空中に3次元グラフィックスを形成する場合には望ましくないものである。特に、この効果は、人間の目には見えないものである。これは、焦点での光がより明るいためである。 The size of the voxel (ie, the luminescence effect) relates to the size of the focal point of the laser. The focal point is usually oval with two diameters. One is the diameter w f perpendicular to the path of the laser beam. This is the diffraction limit and is determined by the original beam width a, the focal length r, and the wavelength λ, and is expressed as follows.
Figure 0006935094
The other is a parallel diameter w d in the path of the laser beam. This is geometrically derived from the relationship of a: w f = r: w d / 2 as follows.
Figure 0006935094
The emitting dots generated by the high-intensity laser have a tail along the propagation direction (filler). The tail is produced as a self-focusing that behaves due to the optical Kerr effect. It competes with the natural diffraction of the laser beam and is undesirable when forming 3D graphics in the air. In particular, this effect is invisible to the human eye. This is because the light at the focal point is brighter.

ボルメトリックディスプレイの時空間分解能は、フレーム毎のドット数(dpf)によって規定される。ドットが暗闇に表示される場合、ドット毎の最小必要エネルギーは、レーザのブレイクダウン閾値Elbdと等しい。合計出力エネルギーEtotは、SLMによって、ドット間で分割される。レーザパルス毎のドット数をNdotとすると、以下の式が成立する。

Figure 0006935094
フレーム毎のドット数は、Ndot、レーザパルスの繰り返し周波数Frep、及び、フレーム時間Tによって、ヒューマンビジョンの持続性に基づいて以下のように決定される。 The spatiotemporal resolution of the volmetric display is defined by the number of dots per frame (dpf). When the dots appear in the dark, the minimum energy requirement per dot is equal to the laser breakdown threshold Elbd. The total output energy E tot is divided between the dots by the SLM. Assuming that the number of dots for each laser pulse is N dot, the following equation holds.
Figure 0006935094
The number of dots per frame is determined by N dot , laser pulse repetition frequency F rep , and frame time T f as follows based on the sustainability of human vision.

Figure 0006935094
例えば、Ndot=100、Frep=1kHz、及び、T=100msである場合、10000dpfのアニメーションは10fpsで再生される。実際には、毎フレームのドット数は、Frepに代えて、ガルバノスキャナ及び/又はSLMの応答時間のボトルネックによって決まる。
Figure 0006935094
For example, when N dot = 100, F rep = 1 kHz, and T f = 100 ms, the animation of 10000 dpf is reproduced at 10 fps. In practice, the number of dots per frame is determined by the response time bottleneck of the galvano scanner and / or SLM instead of the Flep.

時空間分解能は、SLMを使用して同時にアドレスされるボクセルを生成し、且つ、レーザ光源の繰り返し周波数を増加させることにより、改善することができる。フーリエCGHは、同時にアドレスされるボクセルの生成に使用される。フーリエCGHは、ORA(Optimal Rotation Angle)法を使用することにより最適化することができる。同時にアドレスされるボクセルの使用により得られる分解能の改善量は、(1)レーザ光源のエネルギー、(2)SLMの耐久性、(3)SLMのリフレッシュレート、及び、(4)SLMの分解能に依存する。しかし、SLMの液晶分子の性質に起因して、SLMのリフレッシュレート及び耐久性の改善には限界がある。したがって、空中プラズマイメージングの高分解能化を実現するためには、繰り返し周波数が、分解能の増加に対して重要な役割を果たす。より高いエネルギー及びより高い繰り返し周波数が分解能問題を解決する。 Spatio-temporal resolution can be improved by using SLM to generate voxels that are simultaneously addressed and by increasing the repetition frequency of the laser source. Fourier CGH is used to generate voxels that are simultaneously addressed. Fourier CGH can be optimized by using the ORA (Optimal Rotation Angle) method. The amount of resolution improvement obtained by using voxels addressed at the same time depends on (1) the energy of the laser source, (2) the durability of the SLM, (3) the refresh rate of the SLM, and (4) the resolution of the SLM. do. However, due to the nature of the liquid crystal molecules of SLM, there is a limit to improving the refresh rate and durability of SLM. Therefore, in order to realize high resolution of aerial plasma imaging, the repetition frequency plays an important role in increasing the resolution. Higher energies and higher repetition frequencies solve the resolution problem.

これに対して、水中発光の誘起に必要なエネルギーはより小さいので、SLMは、水媒体における高分解能画像の実現に重要な役割を果たす。したがって、3次元位置に対する平行なアクセスにより、ボルメトリックディスプレイの高分解能化を達成することができる。 On the other hand, since the energy required to induce underwater emission is smaller, SLM plays an important role in realizing a high-resolution image in an aqueous medium. Therefore, high resolution of the volmetric display can be achieved by parallel access to the three-dimensional position.

(実験)
以下の実験が、本発明の可能性を証明し、且つ、様々な利点を示すために実施された。
(experiment)
The following experiments were carried out to prove the potential of the present invention and to show various advantages.

下記の実験は、通常の雰囲気中(海抜で80%のN及び20%のOの混合を有する通常の空気)の下で、20.5℃で実施された。水は、水道水であった。 The experiments below were performed at 20.5 ° C. under normal atmosphere (normal air with a mixture of 80% N 2 and 20% O 2 above sea level). The water was tap water.

ビジュアル実験1〜6のそれぞれについて、以下の1つ以上の好ましい実施形態を使用した。 For each of Visual Experiments 1-6, one or more preferred embodiments below were used.

好ましい実施形態(ここでは「システムA」という)は、図2に示された光学システムセットアップに基づいて、以下に説明される。 Preferred embodiments (referred to herein as "system A") are described below based on the optical system setup shown in FIG.

システムAは、Coherent社製のフェムト秒レーザ光源を含む。このフェームと秒レーザ光源は、中心波長が800nmであり、繰り返し周波数が1kHzであり、パルスエネルギーが最大2mJであり、パルス持続時間が30fs〜100fsで調整可能である。図4(a)〜(d)は、この光源で、30fsパルスセッティング及び100fsパルスセッティングのスペクトラル及びパルスエネルギーを示す。平均レーザパルスエネルギーが不変である場合、ピークエネルギーは、レーザのパルス持続時間毎に異なる。実際には、30fsパルス持続時間は、同一の平均エネルギーセッティングで100fsパルス持続時間より3倍大きなピークエネルギーを有する。ビジュアル実験1〜6では、実験は、パルス幅は30に設定し、パルス持続時間は100fsに設定して実施された。実験及び結果は、それぞれ、システムA(30fs)及びシステムA(100fs)として示されている。レーザの平均パワーよりもピーク輝度は、たとえ短パルスであったとしても、空中プラズマの生成に重要である。システムAは、空気を励起し、且つ、イオン化プラズマを生成するのに十分なピーク輝度を有する。 System A includes a femtosecond laser light source manufactured by Coherent. The fame and second laser light source has a center wavelength of 800 nm, a repetition frequency of 1 kHz, a maximum pulse energy of 2 mJ, and a pulse duration adjustable from 30 fs to 100 fs. 4 (a) to 4 (d) show the spectral and pulse energies of the 30 fs pulse setting and the 100 fs pulse setting with this light source. If the average laser pulse energy is invariant, the peak energy will vary for each laser pulse duration. In practice, the 30 fs pulse duration has a peak energy three times greater than the 100 fs pulse duration at the same average energy setting. In visual experiments 1-6, the experiments were performed with the pulse width set to 30 and the pulse duration set to 100 fs. Experiments and results are shown as System A (30 fs) and System A (100 fs), respectively. Peak brightness, rather than the average power of the laser, is important for the generation of aerial plasma, even for short pulses. System A has a peak brightness sufficient to excite air and generate an ionized plasma.

システムAは、さらに、浜松ホトニクス社製LC−SLMを備える。このLC−SLMは、LCD及び680nmのレーザダイオードと接続されるPAL−SLMを備える。このデバイスは、2ラジアン以上の位相のみの変調を実施することができ、且つ、768ピクセルx768ピクセルの分解能と、20x20μmのピクセルサイズと、100msの応答時間と、を有する。 System A is further equipped with LC-SLM manufactured by Hamamatsu Photonics. The LC-SLM comprises a PAL-SLM connected to an LCD and a 680 nm laser diode. The device is capable of performing only two or more radian phase modulations and has a resolution of 768 pixels x 768 pixels, a pixel size of 20 x 20 μm 2 , and a response time of 100 ms.

システムAは、さらに、2つのレンズを備える。2つのレンズは、それぞれ、450mm及び150mmの焦点距離を有する。2つのレンズユニットは、ビームスポットサイズを1/3に低減する。 System A further comprises two lenses. The two lenses have focal lengths of 450 mm and 150 mm, respectively. The two lens units reduce the beam spot size by a factor of three.

システムAは、さらに、ガルバノスキャナユニットを備える。ガルバノスキャナユニットは、スキャナコントローラボード(キヤノンGB−501)によって駆動されるスキャンヘッドユニット(キヤノンGH−315)を備える。スキャンヘッドユニット(キヤノンGH−315)は、ビームの直径が10〜14mmであり、スキャン角度が±0.17radであり、誤差が5μrad以下であり、分解能が20ビットである。スキャンヘッドは、約10x10mm以上の面積を覆う。スキャナコントローラボード(キヤノンGB−501)は、スキャンヘッドユニットと、XY平面の任意の座標にレーザビームを指向するレーザユニットと、を制御する。標準化されたPCIバスは、PCとインタフェースし、且つ、PCコマンドから指示を取得する。 System A further comprises a galvano scanner unit. The galvano scanner unit includes a scan head unit (Canon GH-315) driven by a scanner controller board (Canon GB-501). The scan head unit (Canon GH-315) has a beam diameter of 10 to 14 mm, a scan angle of ± 0.17 rad, an error of 5 μrad or less, and a resolution of 20 bits. The scan head covers an area of about 10x10 mm 2 or more. The scanner controller board (Canon GB-501) controls the scan head unit and the laser unit that directs the laser beam to arbitrary coordinates in the XY plane. The standardized PCI bus interfaces with the PC and obtains instructions from PC commands.

システムAは、さらに、2つのレンズを備える。2つのレンズは、それぞれ、焦点距離540mm及び150mmを有し、ガルバノスキャナユニットの後段に位置する。この2つのレンズユニットは、ビームスポットサイズを1.5倍にする。 System A further comprises two lenses. The two lenses have focal lengths of 540 mm and 150 mm, respectively, and are located behind the galvano scanner unit. These two lens units increase the beam spot size by 1.5 times.

システムAは、さらに、バリフォーカルレンズレンズユニットOptotune 社製EL-10-30)を備える。バリフォーカルレンズ(EL-10-30)の開口は10mmであり、応答時間は2.5ms未満であり、焦点距離は+45〜+120mmである。バリフォーカルレンズ(EL-10-30)は、ボルメトリックスクリーン上のレーザビームのZ軸の焦点位置を調整する。 System A is further equipped with a varifocal lens lens unit (EL-10-30 manufactured by Optotune). The aperture of the varifocal lens (EL-10-30) is 10 mm, the response time is less than 2.5 ms, and the focal length is +45 to +120 mm. The varifocal lens (EL-10-30) adjusts the Z-axis focal position of the laser beam on the volmetric screen.

システムAは、さらに、対物レンズを備える。対物レンズの焦点距離は40mmである。 System A further comprises an objective lens. The focal length of the objective lens is 40 mm.

システムAは、さらに、システムコントローラを備える。システムコントローラは、オペレーティングシステム(Windows(登録商標))で動作するPCを備える。SLMの動作と、ガルバノスキャナユニットと、バリフォーカルレンズと、を制御する全てのプログラムは、C++でコーディングされる。ガルバノスキャナユニット及びバリフォーカルレンズユニットは、固有のスレッドで動作し、且つ、新しい描画パターンを受領すると同期する。ユーザ入力は、20Hzで取り込まれても良い。制御システムは、さらに、USBマイクロスコープを備える。USBマイクロスコープは、光学セットアップとディスプレイ媒体との間のインタラクションのモニタリングに使用される。 System A further comprises a system controller. The system controller includes a PC running an operating system (Windows®). All programs that control the operation of the SLM, the galvano scanner unit, and the varifocal lens are coded in C ++. The galvano scanner unit and varifocal lens unit operate in their own thread and synchronize when a new drawing pattern is received. User input may be captured at 20 Hz. The control system also comprises a USB microscope. USB microscopes are used to monitor the interaction between the optical setup and the display medium.

システムAのエネルギー変換レートは53%である。 The energy conversion rate of system A is 53%.

図3の光学システムセットアップに基づく別の好ましい実施形態(以下「システムB」という)を以下に説明する。 Another preferred embodiment based on the optical system setup of FIG. 3 (hereinafter referred to as "system B") will be described below.

システムBは、フェムト秒レーザ(IMRA America社製FCPA μJewel DE1050)を備える。フェムト秒レーザの中心波長は1045mmであり、繰り返し周波数は200kHzであり、パルスエネルギーは最大50μJであり、パルス持続時間は269fsである。システムBは、空気の励起及びイオン化プラズマの生成に十分なピーク輝度を有する。 System B is equipped with a femtosecond laser (FCPA μJewel DE1050 manufactured by IMRA America). The femtosecond laser has a center wavelength of 1045 mm, a repetition frequency of 200 kHz, a maximum pulse energy of 50 μJ, and a pulse duration of 269 fs. System B has sufficient peak brightness for excitation of air and generation of ionized plasma.

システムBは、さらに、ガルバノスキャナ(Intelliscan 20i)を備える。ガルバノスキャナのスキャン角度は±0.35radであり、誤差は5μrad未満であり、分解能は20ビットである。 System B is further equipped with a galvano scanner (Intelliscan 20i). The galvano scanner scan angle is ± 0.35 rad, the error is less than 5 μrad, and the resolution is 20 bits.

システムBは、さらに、バリフォーカルレンズユニット(Optotune 製EL-10-30)を備える。バリフォーカルレンズユニット(EL-10-30)の開口は10mmであり、応答時間は2.5ms未満であり、焦点距離範囲は+45〜+120mmである。バリフォーカルレンズユニット(EL-10-30)は、ボルメトリックスクリーン上のレーザビームのZ軸の焦点を調整する。 System B is further equipped with a varifocal lens unit (EL-10-30 manufactured by Optotune). The aperture of the varifocal lens unit (EL-10-30) is 10 mm, the response time is less than 2.5 ms, and the focal length range is +45 to +120 mm. The varifocal lens unit (EL-10-30) adjusts the Z-axis focus of the laser beam on the volmetric screen.

システムBは、さらに、2つのレンズを備える。2つのレンズの焦点距離は、50mm及び80mmである。 System B further comprises two lenses. The focal lengths of the two lenses are 50 mm and 80 mm.

システムBは、さらに、対物レンズを備える。対物レンズの焦点距離は、20mmである。 System B further comprises an objective lens. The focal length of the objective lens is 20 mm.

システムBは、さらに、制御システムを備える。制御システムは、オペレーティングシステム(Windows(登録商標))で動作するPCを備える。ガルバノスキャナユニット及びバリフォーカルレンズの動作を制御する全てのプログラムは、C++でコーディングされる。制御システムは、さらに、カメラを備える。カメラは、光学セットアップとディスプレイ媒体との間のインタラクションのモニタリングに使用される。 System B further comprises a control system. The control system includes a PC running an operating system (Windows®). All programs that control the operation of the galvano scanner unit and varifocal lens are coded in C ++. The control system also includes a camera. The camera is used to monitor the interaction between the optical setup and the display medium.

システムBのエネルギー変換効率は80%である。 The energy conversion efficiency of system B is 80%.

空気中のレーザ誘起プラズマ発光効果は、平方センチメートルあたりペタワットオーダ(PW/cm)のレーザパワーを必要とする。 The laser-induced plasma emission effect in air requires laser power on the order of petawatts (PW / cm 2) per square centimeter.

(視覚実験1:エネルギーvs.明るさ)
本発明者らは、プラズマ生成エネルギーと結果画像の明るさとの間の関係を評価する実験を実施した。入力エネルギーに対するボクセルの明るさは、時空間分解能の向上に対して重要である。この実験の目的は、システムAの可能性の検証、及び、ボクセル表示への適用方法の調査である。したがって、最小ピークエネルギー値を決めた。
(Visual experiment 1: Energy vs. brightness)
We conducted an experiment to evaluate the relationship between plasma generation energy and the brightness of the resulting image. Voxel brightness with respect to input energy is important for improving spatiotemporal resolution. The purpose of this experiment is to verify the possibility of System A and to investigate how to apply it to voxel display. Therefore, the minimum peak energy value was determined.

実験は、パルス幅を30fsにセットしたシステムAを用いて実施した。フェムト秒レーザ光源(Coherent社製)は、最大7Wの出力を提供したが、対物レンズより前段の光学回路の幾つかの素子は、高出力によって空気破壊を発生させた。このように、レーザ光源のフルパワーを用いることはできない。また、SLM(浜松ホトニクス社製)のエネルギー容量は、2Wが保証されていない。したがって、実験は、0.05〜1.00Wの出力レンジで実施した。マイクロスコープカメラは、結果画像の取込に使用した。 The experiment was carried out using System A with the pulse width set to 30 fs. The femtosecond laser source (Coherent) provided an output of up to 7 W, but some elements of the optical circuit prior to the objective lens caused air destruction due to the high output. As such, the full power of the laser light source cannot be used. In addition, the energy capacity of SLM (manufactured by Hamamatsu Photonics) is not guaranteed to be 2W. Therefore, the experiment was carried out in an output range of 0.05 to 1.00 W. The microscope camera was used to capture the resulting image.

(視覚実験2:パルス幅vs.明るさ)
本発明者は、パルス持続時間とボクセルの明るさとの間の関係を評価する実験を実施した。これは、スケーラビリティ、特に、より高速なレーザ光源の開発において重要である。ピークエネルギーがプラズマの生成に重要な役割を果たすので、ピークパルスと結果画像の明るさとの間の関係も実験した。
(Visual experiment 2: Pulse width vs. brightness)
The inventor conducted an experiment to evaluate the relationship between pulse duration and voxel brightness. This is important in scalability, especially in the development of faster laser sources. Since peak energy plays an important role in plasma generation, the relationship between the peak pulse and the brightness of the resulting image was also tested.

実験は、パルス幅30fs及び100fsであり、且つ、0.05〜1.00Wの出力レンジでシステムAを用いて実施した。顕微鏡カメラは、結果画像の取込に使用した。 Experiments were performed using System A with pulse widths of 30 fs and 100 fs and an output range of 0.05 to 1.00 W. The microscope camera was used to capture the resulting image.

図6に結果を示す。パルス30fs及び100fsは、同一の平均出力で異なるスペクトラム及びピークエネルギーを生み出す。30fsレーザは、3倍以上のピークパルスを生み出した。実験は、100fsレーザが、1パルスあたり0.45mJで始まるプラズマを生成できること、及び、ピーク輝度が24PW/cmであることを示した。 The results are shown in FIG. The pulses 30 fs and 100 fs produce different spectra and peak energies with the same average output. The 30 fs laser produced more than three times the peak pulse. Experiments have shown that a 100 fs laser can generate plasma starting at 0.45 mJ per pulse and has a peak brightness of 24 PW / cm 2 .

(視覚実験3:ディスプレイ媒体毎の実験)
本発明者らは、ガスイオン化プラズマ、フォトン吸収、及び、キャビテーションを含む各種レーザ誘起効果間におけるエネルギー消費性能と、様々なディスプレイ技術にフェムト秒レーザシステムを適用するための探索手段と、を比較するために、ディスプレイ媒体毎の実験を実施した。
(Visual experiment 3: Experiment for each display medium)
We compare the energy consumption performance between various laser-induced effects, including gas ionized plasma, photon absorption, and cavitation, with exploratory means for applying femtosecond laser systems to various display technologies. Therefore, an experiment was conducted for each display medium.

実験は、パルス幅30fsのシステムAを用いて行った。顕微鏡カメラは、結果画像の取込に使用した。図7に示すように、実験結果は、必要なパルスエネルギーの値は、ディスプレイ媒体に応じて桁違いに異なる。蛍光は、約0.01μJで発生し、キャビテーションは、約2μJで発生し、且つ、イオン化は、100μJより大きいエネルギーで発生する。 The experiment was performed using System A with a pulse width of 30 fs. The microscope camera was used to capture the resulting image. As shown in FIG. 7, the experimental results show that the required pulse energy values vary by orders of magnitude depending on the display medium. Fluorescence occurs at about 0.01 μJ, cavitation occurs at about 2 μJ, and ionization occurs at energies greater than 100 μJ.

(視覚実験4:空中での同時アドレス指定)
本発明者らは、空中で高解像度グラフィックスを生成するレーザパルスビームの位相を変調するために、CGHsのスケーラビリティを判断する実験を行った。従来のシステムでは、複数のボクセルを同時に生成することはできなかった。この実験は、特に、SLMを使用して、単一の光源から同時にアドレスされたボクセルを生成することによる分解能のスケーラビリティを探索するために実施された。同時アドレス指定は、時空間分解能を向上させるので重要であるが、エネルギーがボクセル間で分散するので、同時にアドレスされるボクセルは、単一ボクセルより暗くなる。本発明者は、CGHsの使用が同時に複数のプラズマスポットの生成に使用可能であると仮定した。同時アドレス指定は、単一のSLM↑に適切な\ホログラムを表示することにより、側面(X,Y)及びビーム(Z)軸の両方に利用可能である。しかし、この実験では、容易化のために、横方向の軸の同時アドレス指定のみを調査した。
(Visual experiment 4: Simultaneous addressing in the air)
We have conducted experiments to determine the scalability of CGHs in order to modulate the phase of a laser pulse beam that produces high resolution graphics in the air. In the conventional system, it was not possible to generate multiple voxels at the same time. This experiment was specifically performed using SLM to explore the scalability of resolution by generating simultaneously addressed voxels from a single light source. Simultaneous addressing is important because it improves spatiotemporal resolution, but because energy is distributed among voxels, voxels addressed at the same time are darker than single voxels. The inventor has assumed that the use of CGHs can be used to generate multiple plasma spots at the same time. Simultaneous addressing is available for both the side (X, Y) and beam (Z) axes by displaying the appropriate \ hologram on a single SLM ↑. However, in this experiment, for the sake of simplification, only the simultaneous addressing of the horizontal axes was investigated.

この実験は、パルス幅が30fsであり、且つ、レーザパワーレンジが0.05〜1.84Wに設定されたシステムAを用いて実施した。 This experiment was performed using System A, which had a pulse width of 30 fs and a laser power range of 0.05 to 1.84 W.

図8(a)〜(c)は、結果と、SLMに使用されるCGHsと、を示す。図8(c)に示されるように、同時にアドレスされるボクセルは可視である。その結果、システムAの電源の制約の下で、4つの並行アクセスまでが観察可能であった。SLMの回折効果は、約50%とした。 8 (a)-(c) show the results and the CGHs used in SLM. As shown in FIG. 8 (c), voxels addressed at the same time are visible. As a result, up to four parallel accesses could be observed under the constraints of the power supply of System A. The diffraction effect of SLM was about 50%.

(ビデオ実験5:水中での同時アドレス指定)
本発明者らは、水中で高解像度グラフィックスを生成するためのレーザパルスビームの位相を変調するCGHsを使用することの実現可能性を決定する実験を実施した。この実験は、パルス幅が30fsであり、且つ、レーザパワーレンジが0.05〜1.84Wに設定されたシステムAを用いて実施した。顕微鏡カメラは、結果画像の取込に使用した。
(Video experiment 5: Simultaneous addressing underwater)
We conducted experiments to determine the feasibility of using CGHs that modulate the phase of a laser pulse beam to produce high resolution graphics in water. This experiment was performed using System A, which had a pulse width of 30 fs and a laser power range of 0.05 to 1.84 W. The microscope camera was used to capture the resulting image.

(ビジュアルアプリケーション1:空中ディスプレイ)
レーザ励起プラズマは、空中に浮遊する。別の実施形態では、高解像度駆虫ボルメトリックディスプレイを提供する。図10(c)〜(d)は、空中で生成されたボルメトリック画像を示す。トンネルイオン化を利用した空中ボルメトリックディスプレイは、システムA及びBによって実現可能である。図14(a)〜(d)は、システムA及びBを利用して空中に生成された様々なグラフィックスを示す。システムA及びBに関しては、ワークプレイスは、それぞれ、10x10x10mm及び8x8x8mmである。先行研究と比べると、ワークスペースは小さいが、解像度は10〜200倍である。最大時空間分解能は、システムAが毎秒4000ドットであり、且つ、システムBが毎秒200000ドットである。画像フレームレートは、モデルに使用された頂点の数によって決まる。
(Visual application 1: Aerial display)
The laser-excited plasma floats in the air. In another embodiment, a high resolution anthelmintic volmetric display is provided. 10 (c) to 10 (d) show vormetric images generated in the air. Aerial volmetric displays utilizing tunnel ionization are feasible with systems A and B. 14 (a)-(d) show various graphics generated in the air using systems A and B. For systems A and B, the workplaces are 10x10x10mm 3 and 8x8x8mm 3 , respectively. Compared to previous studies, the workspace is smaller, but the resolution is 10 to 200 times higher. The maximum spatiotemporal resolution is 4000 dots per second for system A and 200,000 dots per second for system B. The image frame rate depends on the number of vertices used in the model.

(ビジュアルアプリケーション2:現実世界のオブジェクトに対する空間仮想現実)
本発明の別の実施形態によれば、拡張現実ディスプレイが提供される。レンダリングされたプラズマ画像が現実世界のオブジェクトと共に利用可能である。例えば、図10(a)は、現実オブジェクト10の拡張又はアクセサリとして生成されたプラズマ画像11を示す。別の仮想現実の例として、図14(e)は、種から芽生えたもやしの写真である。現実世界のオブジェクトに対して空間ARを適用する技術のメリットは、ARコンテンツは、仮想のオブジェクトと同じスケールになる点である。また、空中ディスプレイは、顕微鏡カメラと組み合わせて使用することができる。顕微鏡カメラは、ワークスペースのオブジェクトを検出可能であり、プラズマがオブジェクトに触れたタイミングを検出可能であり、且つ、ARコンテンツをオブジェクトに重畳させてオブジェクトの拡張を表現することが可能である。
(Visual application 2: Spatial virtual reality for objects in the real world)
According to another embodiment of the invention, an augmented reality display is provided. Rendered plasma images are available with real-world objects. For example, FIG. 10A shows a plasma image 11 generated as an extension or accessory of the reality object 10. As another example of virtual reality, FIG. 14 (e) is a photograph of bean sprouts sprouted from seeds. The advantage of the technology of applying spatial AR to real-world objects is that AR content is on the same scale as virtual objects. In addition, the aerial display can be used in combination with a microscope camera. The microscope camera can detect the object in the workspace, can detect the timing when the plasma touches the object, and can superimpose the AR content on the object to express the extension of the object.

これは、3次元空間位置への対応という点で従来のアプローチよりも有利である。従来のAR技術では、任意の3次元位置でARコンテンツを示すことは困難である。しかし、本発明は、ワークスペース内の現実空間の任意の位置でのプラズマスポットの生成を可能にする。 This is more advantageous than the conventional approach in that it corresponds to a three-dimensional spatial position. With conventional AR technology, it is difficult to show AR content at any three-dimensional position. However, the present invention allows the generation of plasma spots at any location in real space within the workspace.

ビジュアルアプリケーション3:水中カラーボルメトリックディスプレイ
本発明の別の実施形態によれば、水を使用したカラーレーザベースのボルメトリックディスプレイのディスプレイ媒体が提供される。システムA及びBは、水を表示媒体として使用する。この構成では、ワークスペースは、それぞれ、1及び10cmである。これらのワークスペースは、対物レンズの焦点領域に依存する。このアプリケーションでは、ボクセルの取得に使用される原理は、他のアプリケーションとは異なる。このアプリケーションでは、ボクセルは、マイクロバブルを使って光を反射し、且つ、ユーザは、水で満たされた3次元空間内の点でレーザ光の色を視認可能である。水を励起するために必要な最小エネルギーはジュールレンジにある。システムBを使用すると、このシステムの波長が1064mmであるので、ユーザは、泡のみを見ることができる。
Visual Application 3: Underwater Color Volmetric Display According to another embodiment of the present invention, a display medium for a color laser-based vormetric display using water is provided. Systems A and B use water as the display medium. In this configuration, the workspaces are 1 and 10 cm 3 , respectively. These workspaces depend on the focal area of the objective lens. In this application, the principles used to obtain voxels are different from other applications. In this application, the voxels use microbubbles to reflect light, and the user can see the color of the laser light at a point in a three-dimensional space filled with water. The minimum energy required to excite water is in the joule range. With system B, the wavelength of this system is 1064 mm so that the user can only see the bubbles.

(スケーラビリティ)
ワークスペースのサイズのスケーラビリティは主な関心事である。ディスプレイ媒体は、レーザ励起効果の生成に必要なエネルギー量を決めるので、サイズのスケーラビリティは、ディスプレイ媒体のタイプに依存する。
(Scalability)
Workspace size scalability is a major concern. The size scalability depends on the type of display medium, as the display medium determines the amount of energy required to generate the laser excitation effect.

空中ディスプレイに関しては、トンネルイオン化を誘発するためには、焦点領域で大量のパワーが必要であるので、PW/cmオーダのエネルギーが必要である。したがって、空中プラズマの生成は、焦点にレーザビームを集束させる対物レンズの属性に主に制限される。対物レンズの絞りが大きくなるほど、ワークスペースが大きくなる。 For aerial displays, energy on the order of PW / cm 2 is required because a large amount of power is required in the focal region to induce tunnel ionization. Therefore, the generation of aerial plasma is mainly limited to the attributes of the objective lens that focuses the laser beam at the focal point. The larger the aperture of the objective lens, the larger the workspace.

平均パワーと高強度のピークパルスに関する実験は、毎日のアプリケーションの場合、安全、安定、適切なワークスペースサイズの達成において次の3つの要因が鍵となることを示している。3つの要因は、レーザ光源のパワーの増加、(2)パルスの短縮及びピークエネルギーの増加、及び、(3)スキャニングスピードの増加である。これらの要因を達成することにより、ワークスペースは、アプリケーションにおいて触感及び視認性を維持したまま拡大することができる。 Experiments with average power and high intensity peak pulses show that for everyday applications, three factors are key to achieving safety, stability, and adequate workspace size: The three factors are an increase in the power of the laser light source, (2) a shortening of the pulse and an increase in the peak energy, and (3) an increase in the scanning speed. By achieving these factors, the workspace can be expanded while maintaining tactile sensation and visibility in the application.

表示媒体として水を含むボルメトリックディスプレイに関しては、キャビテーションの誘発に必要なエネルギーは十分に小さいので、ワークスペースは、対物レンズによる制約を受けない。これらのタイプのディスプレイのワークスペースは、3次元スキャナ(つまり、ガルバノスキャナユニット及びバリフォーカルレンズユニット)のワークスペースによって制約される。一般に、ガルバノスキャナユニット及びバリフォーカルレンズユニットは、大きな空間のスキャンに対して十分に高速である。これらのディスプレイに関してワークスペースの拡大を実現するためには、複数のレーザ集束システムが使用可能である。 For vormetric displays containing water as the display medium, the energy required to induce cavitation is small enough that the workspace is not constrained by the objective lens. The workspace of these types of displays is constrained by the workspace of the 3D scanner (ie, galvano scanner unit and varifocal lens unit). In general, galvano scanner units and varifocal lens units are fast enough for scanning large spaces. Multiple laser focusing systems can be used to achieve a larger workspace for these displays.

(触感相互作用)
一般に、プラズマは、高エネルギーを有するので、人に対して危険である。しかし、フェムト秒レーザは、長短パルスを発するので、産業目的で非熱ブレーキングによく使用される。したがって、本発明者は、フェムト秒レーザによって誘起されるプラズマへの接触は、光源がピーク強度に制限される場合、人に対してそれほど危険ではない。
(Tactile interaction)
In general, plasma has high energy and is therefore dangerous to humans. However, femtosecond lasers emit long and short pulses and are often used for non-thermal braking for industrial purposes. Therefore, we see that contact with the plasma induced by the femtosecond laser is less dangerous to humans if the light source is limited to peak intensity.

(触感実験1:皮膚露光)
本発明者は、フェムト秒レーザによって誘起されるプラズマの人の皮膚への露光がダメージを引き起こすかどうかの探索実験を実施した。
(Tactile experiment 1: Skin exposure)
The inventor conducted a search experiment to see if exposure of plasma induced by a femtosecond laser to human skin causes damage.

実験は、1Wで30fsで構成されたシステムAと、1Wで100fsで構成されたシステムAと、を用いて実施した。プラズマ露光期間は、50〜6000msで変化した。図9(d)は、実験結果を示しており、30fsパルス及び100fsパルスは、皮膚に対してほぼ同一の効果を示す。前述のとおり、30fsパルスは、3倍以上のピークエネルギーを有し、且つ、より明るいボクセルを生成することができる。しかし、50msの期間(50ショット)では、30fsの結果と100fsの結果との間にはほとんど差はない。この実験では、平均パワーは、結果を決める要因である。2000ms(2000ショット)未満の露光では、直径100μmの孔が現れ、且つ、革に対する熱損傷は起きなかった。2000msより長い期間では、孔の周辺に熱効果が観察された。 The experiment was carried out using System A composed of 30 fs at 1 W and System A composed of 100 fs at 1 W. The plasma exposure period varied from 50 to 6000 ms. FIG. 9D shows the experimental results, and the 30 fs pulse and the 100 fs pulse show almost the same effect on the skin. As mentioned above, the 30 fs pulse has a peak energy of 3 times or more and can generate brighter voxels. However, in the 50 ms period (50 shots), there is almost no difference between the 30 fs result and the 100 fs result. In this experiment, average power is a determinant of the results. Exposures less than 2000 ms (2000 shots) revealed holes with a diameter of 100 μm and no thermal damage to the leather. For a period longer than 2000 ms, a thermal effect was observed around the pores.

継続的な(非パルス化)ナノ秒レーザでのテストを、この結果との比較のために実施した。ナノ秒レーザを用いた場合、100ms以内に革が萌えた。これは、パルス期間、繰り返し回数、及び、エネルギーが、レーザによって引き起こされる損傷のレベルに影響を与える重要な要因であることを意味する。 Tests with continuous (non-pulse) nanosecond lasers were performed for comparison with this result. When a nanosecond laser was used, the leather sprouted within 100 ms. This means that pulse duration, number of iterations, and energy are important factors influencing the level of damage caused by the laser.

本発明者は、超短パルスレーザが、ナノ秒レーザの熱弾性効果とは異なる非熱効果を有することを検証した(Jae-Hoon Jun, Jong-Rak Park, Sung-Phil Kim, Young Min Bae, Jang-Yeon Park, Hyung-Sik Kim, Seungmoon Choi, Sung Jun Jung, Seung Hwa Park, Dong-Il Yeom, Gu-In Jung, Ji-Sun Kim and SoonCheol Chung. 2015. Laser-induced thermoelastic effects can evoke tactile sensations. Scientific Reports 5, 11016. DOI: http://dx.doi.org/10.1038/srep11016; Hojin Lee, Ji-Sun Kim, Seungmoon Choi, Jae-Hoon Jun, Jong-Rak Park, A-Hee Kim, Han-Byeol Oh, Hyung-Sik Kim, and Soon-Cheol Chung. 2015. Midair tactile stimulation using laser-induced thermoelastic effects: The first study for indirect radiation. In World Haptics Conference (WHC), 2015, 374-380. DOI:http://dx.doi.org/10.1109/WHC.2015.7177741を参照)。したがって、フェムト秒レーザから発した超短レーザパルスがより安全である。システムA及びBは、明るく、且つ、それほど集中していない平均出力を有するプラズマスポットを誘発する。
The present inventor has verified that an ultrashort pulse laser has a non-thermal effect different from that of a nanosecond laser ( Jae-Hoon Jun, Jong-Rak Park, Sung-Phil Kim, Young Min Bae, Jang-Yeon Park, Hyung-Sik Kim, Seungmoon Choi, Sung Jun Jung, Seung Hwa Park, Dong-Il Yeom, Gu-In Jung, Ji-Sun Kim and SoonCheol Chung. 2015. Laser-induced thermoelastic effects can evoke tactile sensations . Scientific Reports 5, 11016. DOI: http://dx.doi.org/10.1038/srep11016 ; Hojin Lee, Ji-Sun Kim, Seungmoon Choi, Jae-Hoon Jun, Jong-Rak Park, A-Hee Kim, Han -Byeol Oh, Hyung-Sik Kim, and Soon-Cheol Chung. 2015. Midair tactile stimulation using laser-induced thermoelastic effects: The first study for indirect radiation. In World Haptics Conference (WHC), 2015, 374-380. DOI: See http://dx.doi.org/10.1109/WHC.2015.7177741 ). Therefore, the ultra-short laser pulse emitted from the femtosecond laser is safer. Systems A and B induce plasma spots that are bright and have a less concentrated average output.

(触感実験2:接触効果)
本発明者は、プラズマが人の皮膚に接触したときに起こる事象を探索するためのテストを実施した。このテストは、システムAを用いて実施した。
(Tactile experiment 2: Contact effect)
The inventor has conducted tests to explore what happens when plasma comes into contact with human skin. This test was performed using System A.

本発明者が空中画像のプラズマボクセルに指で触れたときに、接触と同時にプラズマが衝撃波を生成し、本発明者は、空中画像がプラズマは幾つかの物理物質を有するように、指にインパルスを感じることができた。タッチ感覚は、フェムト秒レーザパルスの蒸発効果に基づく。これは、皮膚の表面を切除し、且つ、衝撃波を生成する。感覚は、鮮明、且つ、シャープで、電気刺激、例えば、静電気放電又は粗い砂の紙に似ている。 When the present inventor touches the plasma boxel of the aerial image with a finger, the plasma generates a shock wave at the same time as the contact, and the present inventor impulses the aerial image to the finger so that the plasma has some physical substances. I was able to feel. The touch sensation is based on the evaporation effect of the femtosecond laser pulse. It excises the surface of the skin and produces a shock wave. The sensation is crisp and sharp, resembling electrical stimulation, such as electrostatic discharge or coarse sand paper.

本発明者は、また、プラズマと指との間の接触によりプラズマが明るくなることに着目した。空気と人の皮膚との間の密度の差は、光の明るさを変化させる。この効果は、図14(c)及び(g)に示されており、インタラクティブアプリケーションの接触の表示に使用可能である。 The inventor also noted that the contact between the plasma and the finger brightens the plasma. The difference in density between air and human skin changes the brightness of light. This effect is shown in FIGS. 14 (c) and 14 (g) and can be used to display contacts in interactive applications.

(接触実験3:知覚閾値)
本発明者は、皮膚に対するレーザプラズマの衝撃波の知覚閾値を評価するための検討を実施した。図16(a)は、この検討に用いた光回路セットアップを示す。図16(a)に示すように、調整可能なパワーセッティングを有するフェムト秒レーザ光源1610は、レーザパルス1612を、プラズマを誘発するための焦点でのレーザパルスを集束させる対物レンズ1660に向かって発せられる。蒸発効果を力(N)として測定することは困難であるので、閾値は、レーザ出力パワー(W)に対して測定した。レーザ出力パワーは、0.05、0.10、0.13、又は、0.16Wに設定した。最も低いパワーは、使用したフェムト秒レーザ光源によって制限され、且つ、最も高いパワーは、予備的な安全テストによって決定した。
(Contact experiment 3: Perceptual threshold)
The present inventor conducted a study for evaluating the perceptual threshold of the shock wave of laser plasma with respect to the skin. FIG. 16 (a) shows the optical circuit setup used in this study. As shown in FIG. 16A, a femtosecond laser light source 1610 with adjustable power settings emits a laser pulse 1612 towards an objective lens 1660 that focuses the laser pulse at a focal point to induce plasma. Be done. Since it is difficult to measure the evaporation effect as a force (N), the threshold was measured with respect to the laser output power (W). The laser output power was set to 0.05, 0.10, 0.13, or 0.16 W. The lowest power was limited by the femtosecond laser source used, and the highest power was determined by preliminary safety tests.

この研究には、7人の被験者が参加した(平均年齢22.5歳、男性5人、助成2人)。被験者には、右の人差し指でプラズマを誘発するフェムト秒レーザに触れることを依頼した。1人の被験者あたり8回の試行を実施した。各試行では、被験者は10個のプラズマドットに触れ、且つ、人差し指に何かを感じたか否かを質問した。プラズマドットの生成に用いられた出力パワーの設定のオーダは、ランダムに決定し、且つ、各出力パワーの設定は、少なくとも1回は繰り返した。被験者は、視覚情報を除外するために目隠しを着用し、聴覚情報を除外するために、ヘッドホンを着用してホワイトノイズを再生した。 Seven subjects participated in this study (mean age 22.5 years, 5 men, 2 grants). Subjects were asked to touch a plasma-induced femtosecond laser with their right index finger. Eight trials were performed per subject. In each trial, subjects touched 10 plasma dots and asked if they felt anything on their index finger. The order of the output power settings used to generate the plasma dots was randomly determined, and each output power setting was repeated at least once. Subjects wore blindfolds to exclude visual information and headphones to exclude auditory information to reproduce white noise.

結果を図18(a)に示す。試行回数に応じた知覚率は、各レーザパワーの試行回数に対して被験者が刺激を感じた試行の数の割合である。50%閾値は、0.03〜0.04Wと思われる。被験者は、0.16Wで、自信を持って刺激を感じた(つまり、90%より大きい)。 The results are shown in FIG. 18 (a). The perception rate according to the number of trials is the ratio of the number of trials in which the subject felt stimulation to the number of trials of each laser power. The 50% threshold seems to be 0.03 to 0.04 W. Subjects confidently felt the stimulus at 0.16 W (ie, greater than 90%).

触覚フィードバックは、たとえ、空中プラズマが生成されなかったとしても可能である。衝撃波は、空中でプラズマの生成に十分な出力を有していない集束レーザで皮膚の表面に発生する。この衝撃波は、皮膚のアブレーションから起こる。 Tactile feedback is possible even if no aerial plasma is generated. The shock wave is generated on the surface of the skin by a focused laser that does not have sufficient power to generate plasma in the air. This shock wave results from skin ablation.

(触覚実験4:パターン検出)
本発明者は、被験者がレーザプラズマで形成された空間パターンを区別できたか否かをテストするための実験を実施した。図16(b)は、この検証に用いられた光回路セットアップを示す。図16(b)に示すように、フェムト秒レーザ光源1610は、プログラムされたパターンをスキャンすることができるガルバノスキャナユニット1630に対してレーザパルス1612を発する。対物レンズ1660は、プログラムされたパターンを形成するプラズマドットを誘発するためのパルスを集束させる。
(Tactile experiment 4: Pattern detection)
The present inventor conducted an experiment to test whether the subject was able to distinguish the spatial pattern formed by the laser plasma. FIG. 16B shows the optical circuit setup used for this verification. As shown in FIG. 16B, the femtosecond laser light source 1610 emits a laser pulse 1612 to a galvano scanner unit 1630 capable of scanning a programmed pattern. The objective lens 1660 focuses the pulses for inducing plasma dots that form a programmed pattern.

図19は、レーザプラズマの繰り返しガルバノスキャンによって形成されたパターンの例を示す。この実験では、2つの空間パターン(ドット及びライン)を用いた。被験者には、右の人差し指でプラズマパターンに触れることを依頼した。被験者は、触覚実験3の被験者と同一である。被験者毎に8回の試行を実施した。各試行は、10個のプラズマパターンへの接触と、人差し指に感じたパターンの質問と、を含んでいた。プラズマパターンは、ランダムで生成され、且つ、各プラズマパターンは、少なくとも1回は繰り返した。被験者は、視覚情報を除外するために目隠しを着用し、聴覚情報を除外するために、ヘッドホンを着用してホワイトノイズを再生した。 FIG. 19 shows an example of a pattern formed by repeated galvanoscans of laser plasma. Two spatial patterns (dots and lines) were used in this experiment. Subjects were asked to touch the plasma pattern with their right index finger. The subject is the same as the subject of the tactile experiment 3. Eight trials were performed for each subject. Each trial included contact with 10 plasma patterns and a question of the pattern felt on the index finger. Plasma patterns were randomly generated and each plasma pattern was repeated at least once. Subjects wore blindfolds to exclude visual information and headphones to exclude auditory information to reproduce white noise.

図20には、結果が示されている。統合された結果は、被験者が2つのパターンは区別できたが、逆の回答をする蛍光を示している。正解率は、一度でもパターンを認識すると改善するであろう。しかし、全てのパターンを区別できなかった被験者もいた。さらに、2種類の傾向が現れた。1つは、曖昧なグループであり、もう一方は、「バイアス対ライン」グループである。 The results are shown in FIG. The combined results show fluorescence in which the subject was able to distinguish between the two patterns but gave the opposite answer. The accuracy rate will improve once the pattern is recognized. However, some subjects could not distinguish all patterns. In addition, two types of trends emerged. One is the ambiguous group and the other is the "bias vs. line" group.

(触覚実験5:クロスフィールド効果)
超音波触覚フィードバックは、長年にわたって、密接に研究されてきた。超音波触覚フィードバック(Takayuki Hoshi, Masafumi Takahashi, Takayuki Iwamoto, and Hiroyuki Shinoda. 2010. Noncontact tactile display based on radiation pressure of airborne ultrasound. IEEE Transactions on Haptics 3, 3, 155-165. DOI: http://dx.doi.org/10.1109/TOH.2010.4; Tom Carter, Sue Ann Seah, Benjamin Long, Bruce Drinkwater, and Sriram Subramanian. 2013. Ultrahaptics: Multi-point mid-air haptic feedback for touch surfaces. In Proceedings of the 26th Annual ACM Symposium on User Interface Software and Technology, ACM, New York, NY, USA, UIST ’13, 505-514. DOI:http://dx.doi.org/10.1145/2501988.2502018; Seki Inoue, Koseki J. Kobayashi-Kirschvink, Yasuaki Monnai, Keisuke Hasegawa, Yasutoshi Makino, Hiroyuki Shinoda. 2014. HORN: The hapt-optic reconstruction. In ACM SIGGRAPH 2014 Emerging Technologies, ACM, New York, NY, USA, SIGGRAPH ’14, 11:1. DOI:http://dx.doi.org/10.1145/2614066.2614092)は、超音波フェーズドアレイの利用のために、大いにプログラマブルである。超音波触フィードバックは、相対的に、他の空間ハプティックフィードバックの手法と比較して、高い空間分解能を有し、且つ、波長(40kHzの超音波で、8.5mm)によって制限される。空気中での吸収損失のために、より高い周波数の超音波(すなわちより短い波長)は、触覚フィードバックには適していない。その他の制約は、刺激の弱さであり、これは接触の瞬間のようなインパルスを再現するのには不十分である。18×18アレイによって生成される最大力は、16mN程度に低くなり得る[Takayuki Hoshi, Masafumi Takahashi, Takayuki Iwamoto, and Hiroyuki Shinoda. 2010. Noncontact tactile display based on radiation pressure of airborne ultrasound. IEEE Transactions on Haptics 3, 3, 155-165. DOI: http://dx.doi.org/10.1109/TOH.2010.4]。そして、より大きな力を得るためには、より大きなアレイが必要である。[Keisuke Hasegawa and Hiroyuki Shinoda. 2013. Aerial display of vibrotactile sensation with high spatialtemporal resolution using large-aperture airborne ultrasound phased array. In World Haptics Conference (WHC), 2013, 31-36. DOI:http://dx.doi.org/10.1109/WHC.2013.6548380]。超音波ハプティックスは、振動ではなく、皮膚表面を圧迫する音響放射圧に基づいています。これは皮膚に長時間適用することができるが、これは比較的弱い(10〜20mN)。感覚は狭い領域内の層流空気流に似ています。
(Tactile experiment 5: Crossfield effect)
Ultrasonic tactile feedback has been closely studied for many years. Ultrasound Tactile Feedback ( Takayuki Hoshi, Masafumi Takahashi, Takayuki Iwamoto, and Hiroyuki Shinoda. 2010. Noncontact tactile display based on radiation pressure of airborne ultrasound. IEEE Transactions on Haptics 3, 3, 155-165. DOI: http: // dx .doi.org/10.1109/TOH.2010.4 ; Tom Carter, Sue Ann Seah, Benjamin Long, Bruce Drinkwater, and Sriram Subramanian. 2013. Ultrahaptics: Multi-point mid-air haptic feedback for touch surfaces. In Proceedings of the 26th Annual ACM Symposium on User Interface Software and Technology, ACM, New York, NY, USA, UIST '13, 505-514. DOI: http://dx.doi.org/10.1145/2501988.2502018 ; Seki Inoue, Koseki J. Kobayashi- Kirschvink, Yasuaki Monnai, Keisuke Hasegawa, Yasutoshi Makino, Hiroyuki Shinoda. 2014. HORN: The hapt-optic reconstruction. In ACM SIGGRAPH 2014 Emerging Technologies, ACM, New York, NY, USA, SIGGRAPH '14, 11: 1. DOI: http://dx.doi.org/10.1145/2614066.2614092 ) is highly programmable for the use of ultrasonic phased arrays. Ultrasound tactile feedback has relatively high spatial resolution compared to other spatial haptic feedback techniques and is limited by wavelength (8.5 mm at 40 kHz ultrasound). Higher frequency ultrasound (ie shorter wavelengths) is not suitable for tactile feedback due to absorption loss in air. Another constraint is the weakness of the stimulus, which is insufficient to reproduce impulses such as the moment of contact. The maximum force generated by an 18x18 array can be as low as 16 mN [ Takayuki Hoshi, Masafumi Takahashi, Takayuki Iwamoto, and Hiroyuki Shinoda. 2010. Noncontact tactile display based on radiation pressure of airborne ultrasound. IEEE Transactions on Haptics 3 , 3, 155-165. DOI: http://dx.doi.org/10.1109/TOH.2010.4 ]. And to get more power, you need a bigger array. [ Keisuke Hasegawa and Hiroyuki Shinoda. 2013. Aerial display of vibrotactile sensation with high spatialtemporal resolution using large-aperture airborne ultrasound phased array. In World Haptics Conference (WHC), 2013, 31-36. DOI: http://dx.doi .org / 10.1109 / WHC.2013.6548380 ]. Ultrasonic haptics are based on acoustic radiation pressure, which presses against the surface of the skin, not vibration. It can be applied to the skin for a long time, but it is relatively weak (10-20 mN). The sensation resembles a laminar air flow within a small area.

本発明者らは、触覚を改善し、且つ、フェムト秒レーザ誘起プラズマに触れたときに被験者が感じる、刺すような感覚を軽減するために、音場の鈍い触覚を使用してフェムト秒レーザ光場の鋭い触覚を増強できるかどうかを検討した。レーザ誘起プラズマの2つの場は互いに物理的に独立しており、したがって同じ場所および時間に印加することができ、弾性波としておよび/または神経系内で神経信号として皮膚に混合することができる。例えば、レーザ場は皮膚と仮想物体との間の最初の接触をシミュレートし、その後、超音波場はそれらの間に連続的な接触を生じさせる。 We use the dull tactile sensation of the sound field to improve the tactile sensation and reduce the stinging sensation that the subject feels when touching the femtosecond laser-induced plasma. We examined whether the sharp tactile sensation of the field could be enhanced. The two fields of laser-induced plasma are physically independent of each other and can therefore be applied at the same location and time and can be mixed into the skin as elastic waves and / or as neural signals within the nervous system. For example, a laser field simulates the first contact between the skin and a virtual object, after which the ultrasonic field creates a continuous contact between them.

本発明者らは、フェムト秒レーザ光フィールドが超音波音場と組み合わされたときの触感を調査するために一連の実験を行った。本発明者らは、異なる物理量の2つの場を組み合わせることが上記で提案した重ね合わせ効果だけでなく、感覚の修正などの相乗効果ももたらすであろうと仮定した。 We conducted a series of experiments to investigate the tactile sensation when a femtosecond laser beam field was combined with an ultrasonic sound field. We hypothesized that combining two fields of different physical quantities would bring about not only the superposition effect proposed above, but also synergistic effects such as sensory modification.

図21は、本発明の超音波振動子アレイシステム500の例示的な実施形態を示す。システム500は、システムコントローラ510と、1つ以上の超音波フェーズドアレイ520と、を含む。各フェーズドアレイ520は、2つの回路基板521、525を含む。第1回路基板は、超音波振動子526のアレイ525である。第2回路基板は、超音波振動子526を駆動する駆動回路521を含む。2つの回路基板(したがって、振動子アレイ525と駆動回路521)は相互に接続されている。 FIG. 21 shows an exemplary embodiment of the ultrasonic transducer array system 500 of the present invention. The system 500 includes a system controller 510 and one or more ultrasonic phased arrays 520. Each phased array 520 includes two circuit boards 521 and 525. The first circuit board is an array 525 of ultrasonic transducers 526. The second circuit board includes a drive circuit 521 that drives the ultrasonic transducer 526. The two circuit boards (hence the oscillator array 525 and the drive circuit 521) are interconnected.

図21に示すように、超音波振動子アレイ525は、グリッドパターンで配置された数100の超音波振動子526を含む。各超音波振動子526は、十分な時間遅延又は十分な位相遅延で個別に制御される。これらの時間遅延又は位相遅延は、システムコントローラ510によって特定され、且つ、駆動回路521によって適用される。このようにして、超音波振動子526の各アレイ525は様々な分布の超音波を発生させることができる。 As shown in FIG. 21, the ultrasonic transducer array 525 includes several hundred ultrasonic transducers 526 arranged in a grid pattern. Each ultrasonic transducer 526 is individually controlled with sufficient time delay or sufficient phase delay. These time delays or phase delays are specified by the system controller 510 and applied by the drive circuit 521. In this way, each array 525 of the ultrasonic transducer 526 can generate ultrasonic waves of various distributions.

(i,j)−thに対応する振動子アレイ525の振動子526の時間遅延Δtijは、式13によって与えられる。

Figure 0006935094
矩形振動子アレイから生成される超音波の空間分布は、sinc関数のような形状であることが理論的および実験的に示されている[Takayuki Hoshi, Masafumi Takahashi, Takayuki Iwamoto, and Hiroyuki Shinoda. 2010. Noncontact tactile display based on radiation pressure of airborne ultrasound. IEEE Transactions on Haptics 3, 3, 155-165. DOI: http://dx.doi.org/10.1109/TOH.2010.4]。長方形配列の辺に平行なメインローブの幅wは式(14)で表される。
Figure 0006935094
ここで、λは波長であり、Rは焦点距離であり、Dは長方形アレイの一辺の長さである。この数式は、空間分解能とアレイサイズとの間にトレードオフがあることを意味する。
(I, j) the time delay Delta] t ij of the oscillator 526 of the transducer array 525 corresponding to the -th is given by equation 13.
Figure 0006935094
The spatial distribution of ultrasonic waves generated from a rectangular oscillator array has been theoretically and experimentally shown to be shaped like a sinc function [ Takayuki Hoshi, Masafumi Takahashi, Takayuki Iwamoto, and Hiroyuki Shinoda. 2010 . Noncontact tactile display based on radiation pressure of airborne ultrasound. IEEE Transactions on Haptics 3, 3, 155-165. DOI: http://dx.doi.org/10.1109/TOH.2010.4 ]. The width w of the main lobe parallel to the sides of the rectangular arrangement is expressed by the equation (14).
Figure 0006935094
Here, λ is the wavelength, R is the focal length, and D is the length of one side of the rectangular array. This formula means that there is a trade-off between spatial resolution and array size.

超音波振動子アレイシステム500は、ハプティック画像を形成する超音波の分布を生成するように制御可能である。ハプティック画像Hは、焦点の時間総和である(式(15))。

Figure 0006935094
ここで、fは、式13に基づいて生成された超音波焦点kであり、pは、音圧であり、tは時間である。 The ultrasonic transducer array system 500 can be controlled to generate a distribution of ultrasonic waves that form a haptic image. Haptic image H i is the time sum of the focal (formula (15)).
Figure 0006935094
Here, f p is the ultrasonic focal point k generated based on the equation 13, p is the sound pressure, and t is the time.

図21を参照すると、駆動回路521は、USBインタフェース回路522と、フィールドプログラマブルゲートアレイFPGA523と、ドライバ524(不図示)と、を含む。 Referring to FIG. 21, the drive circuit 521 includes a USB interface circuit 522, a field programmable gate array FPGA 523, and a driver 524 (not shown).

図21に示すように、システムコントローラ510は、制御アプリケーション512の指示の下で、超音波振動子アレイ525を制御して、1つまたは複数の超音波振動子アレイ525によって生成される音場に所望の変化をもたらす。システムコントローラ510はPCとすることができる。システムコントローラ510は、USBケーブル530を介して各超音波フェーズドアレイ520を制御する。 As shown in FIG. 21, the system controller 510 controls the ultrasonic transducer array 525 under the direction of the control application 512 to create a sound field generated by one or more ultrasonic transducer arrays 525. Brings the desired change. The system controller 510 can be a PC. The system controller 510 controls each ultrasonic phased array 520 via the USB cable 530.

本発明による一実施形態では、制御アプリケーション512は、ウィンドウズ(登録商標)オペレーティングシステム上で、C++で開発される。システムコントローラ510は、焦点のX座標、Y座標、及び、Z座標と、超音波ビームの要求出力強度と、を含む必要なデータを駆動ボード521に送信する。駆動回路521は、USBインタフェース522を使用してこのデータを受信する。次に、FPGA523の位相計算機527は、式(13)又は式(15)に基づいて超音波振動子アレイ525の各超音波振動子526の適切な時間遅延(又は位相遅延)を計算する。信号生成器528は、次に、システムコントローラ510によって提供されたビーム強度データと、位相計算器527によって計算された時間遅延(又は位相遅延)とに基づいて、振動子アレイ525内の各振動子に対する駆動信号を生成する。駆動信号は、ドライバのプッシュプル増幅器を介して、振動子アレイ525の振動子526に送信される。 In one embodiment according to the invention, the control application 512 is developed in C ++ on a Windows® operating system. The system controller 510 transmits necessary data including the X-coordinate, Y-coordinate, and Z-coordinate of the focal point and the required output intensity of the ultrasonic beam to the drive board 521. The drive circuit 521 receives this data using the USB interface 522. Next, the phase calculator 527 of the FPGA 523 calculates an appropriate time delay (or phase delay) of each ultrasonic transducer 526 of the ultrasonic transducer array 525 based on the equation (13) or the equation (15). The signal generator 528 then bases each oscillator in the oscillator array 525 based on the beam intensity data provided by the system controller 510 and the time delay (or phase delay) calculated by the phase calculator 527. Generates a drive signal for. The drive signal is transmitted to the oscillator 526 of the oscillator array 525 via the driver's push-pull amplifier.

各振動子526に印加される駆動信号529に対する相対的な時間遅延(又は位相遅延)の修正は、1つ以上の超音波フェーズドアレイ525によって生成される音場の分布を変化させるために実行される。各振動子526の出力強度は、振動子に印加される駆動信号529のパルス幅変調(PWM)制御を用いて変化させる。 Correction of the time delay (or phase delay) relative to the drive signal 529 applied to each oscillator 526 is performed to change the distribution of the sound field generated by one or more ultrasonic phased arrays 525. NS. The output intensity of each oscillator 526 is varied using pulse width modulation (PWM) control of the drive signal 529 applied to the oscillator.

(触覚実験5a:超音波の触感閾値)
本発明者らは、集束超音波によって励起される音響放射圧の触感閾値を評価するための検証を実施した。図16(c)は、この検証に使用される基本的なセットアップを示す。図16(c)に示すように、超音波フェーズドアレイ1680は、コンタクトポイント1602で触知可能な音場1682の生成に使用される。
(Tactile experiment 5a: Tactile threshold of ultrasonic waves)
The present inventors have carried out verification for evaluating the tactile threshold of the acoustic radiation pressure excited by focused ultrasonic waves. FIG. 16 (c) shows the basic setup used for this verification. As shown in FIG. 16 (c), the ultrasonic phased array 1680 is used to generate a palpable sound field 1682 at contact point 1602.

超音波の直流電流出力は、知覚できないほど弱いが、人間の皮膚には振動に反応する感覚受容体がある。具体的には、表皮層に存在するパシニア小球(PC)およびマイスナー小球(RA)は、それぞれ、10〜200Hz(10〜50Hzのピーク)及び40〜800Hz(200〜300Hzのピーク)の周波数レンジの振動に反応する(S.J. Bolanowski, Jr., G.A. Gescheider, R.T. Verrillo, and C.M. Checkosky. 1968. Four channels mediate the mechanical aspects of touch. The Journal of the Acoustical Society of America. 84, 5, 1680-1694.)。そのため、この研究では、人差し指に200及び50Hzの矩形波で変調された振動触覚刺激の適用を検討した。
The direct current output of ultrasonic waves is imperceptibly weak, but human skin has sensory receptors that respond to vibrations. Specifically, the Pasina globules (PC) and Meissner globules (RA) existing in the epidermis layer have frequencies of 10 to 200 Hz (peak of 10 to 50 Hz) and 40 to 800 Hz (peak of 200 to 300 Hz), respectively. Responds to range vibrations ( SJ Bolanowski, Jr., GA Gescheider, RT Verrillo, and CM Checkosky. 1968. Four channels mediate the mechanical aspects of touch. The Journal of the Acoustical Society of America. 84, 5, 1680-1694 . ). Therefore, in this study, we examined the application of vibrating and tactile stimuli modulated by square waves of 200 and 50 Hz to the index finger.

超音波焦点の直径は約20mmである。これは人差し指の幅より大きいので、人差し指に作用する力は超音波フェーズドアレイの出力設定よりわずかに小さい。出力は、参加者が知覚できる出力力値を決定する予備実験によって推定された閾値を中心にして14の値のうちの1つに設定した。 The diameter of the ultrasonic focus is about 20 mm. Since this is larger than the width of the index finger, the force acting on the index finger is slightly less than the output setting of the ultrasonic phased array. The output was set to one of 14 values centered on the threshold estimated by the preliminary experiment to determine the output power value perceived by the participants.

被験者は、触覚実験3及び4の参加者と同一であった。被験者は、50〜200Hzで同時に振動するように構成された超音波場に触れるために右手の人差し指を使うように依頼した。被験者あたり14の試験を実施した。各試験は、被験者が超音波場に触れることを含み、且つ、各被験者に対して自分の人差し指に何かを感じたか否かを尋ねた。超音波場の生成に使用される出力設定の順序はランダム化し、且つ、各出力設定を一度使用した。被験者は、視覚情報を除外するために目隠しを着用し、聴覚情報を除外するために、ヘッドホンを着用してホワイトノイズを再生した。 The subjects were the same as the participants in Tactile Experiments 3 and 4. Subjects were asked to use the index finger of their right hand to touch an ultrasonic field configured to vibrate simultaneously at 50-200 Hz. 14 tests were performed per subject. Each test included touching the ultrasonic field and asked each subject if they felt something on their index finger. The order of the output settings used to generate the ultrasonic field was randomized, and each output setting was used once. Subjects wore blindfolds to exclude visual information and headphones to exclude auditory information to reproduce white noise.

実験は、図21に示す超音波トランスデューサアレイシステムの設定に基づく好ましい実施形態(本明細書では「システムC」という)を使用して実施した。システムCについて後述する。 Experiments were performed using a preferred embodiment (referred to herein as "system C") based on the configuration of the ultrasonic transducer array system shown in FIG. System C will be described later.

図21を参照すると、システムCは、40kHzの共振周波数を有する超音波フェーズドアレイ525を含む。焦点の位置は、波長の1/16の分解能(40kHzの超音波で約0.5mm)によってデジタル的に制御され、且つ、1kHzでリフレッシュ可能である。40kHzのフェーズドアレイは、日本セラミック社製の285個のT4010A1トランスデューサ526からなる。これらのトランスデューサは、直径10mmであり、且つ、170×170mmの面積に配置される。焦点距離R=200mmの場合、焦点のピークでの音圧は2585PaRMS(測定値)である。単一のフェーズドアレイのサイズと重量は、それぞれ、19x19x5cm及び0,6kgである。ワークスペースは30x30x30cmであるが、フェーズドアレイのサイズに応じて拡張可能である。 With reference to FIG. 21, system C includes an ultrasonic phased array 525 with a resonant frequency of 40 kHz. The focal position is digitally controlled by a resolution of 1/16 of the wavelength (about 0.5 mm with 40 kHz ultrasound) and can be refreshed at 1 kHz. The 40 kHz phased array consists of 285 T4010A1 transducers 526 manufactured by Nippon Ceramic Co., Ltd. These transducers have a diameter of 10 mm and are arranged in an area of 170 × 170 mm 2. When the focal length R = 200 mm, the sound pressure at the peak of the focal point is 2585 PaRMS (measured value). The size and weight of a single phased array are 19x19x5 cm 3 and 0.6 kg, respectively. The workspace is 30x30x30 cm 3 , but it can be expanded depending on the size of the phased array.

図21を参照すると、システムCは、USBインタフェース522と、FPGA523と、信号ドライバ524(不図示)と、を有する駆動回路521をさらに含む。駆動回路のUSBインタフェース522は、英国グラスゴーのFuture Technology Devices International社製のFT2232H Hi-Speed Dual USB UART/FIFO集積回路を採用するUSBボードによって実施することができる。FPGA523は、カリフォルニア州サンノゼのAltera社製のCyclone III FPGAを含むFPGAボードによって実施することができる。信号の信号ドライバ524(不図示)は、プッシュプル増幅器ICを使用して実施することができる。 Referring to FIG. 21, system C further includes a drive circuit 521 with a USB interface 522, an FPGA 523, and a signal driver 524 (not shown). The USB interface 522 of the drive circuit can be implemented by a USB board that employs the FT2232H Hi-Speed Dual USB UART / FIFO integrated circuit manufactured by Future Technology Devices International of Glasgow, England. The FPGA 523 can be implemented on an FPGA board that includes an Altera III FPGA from Altera, San Jose, California. The signal driver 524 (not shown) of the signal can be implemented using a push-pull amplifier IC.

実験では、50Hz及び200Hzでの振動の触覚知覚を試験した。その結果を図18(b)に示す。知覚率は、被験者が刺激を感じた試行回数と、各超音波出力の試行回数との比である。200Hzと50Hzの刺激に対する50%の閾値は、それぞれ、約1.1mN及び1.6mNである。被験者は、それぞれ、約1.6mN及び2.4mNで200Hzおよび50Hzの刺激を確実に(つまり、90%)感じた。触覚の研究分野では、約200Hzの刺激に対して触感感度が高いことがよく知られており、且つ、我々の結果はこの知識と一致している。 In the experiment, the tactile perception of vibration at 50 Hz and 200 Hz was tested. The result is shown in FIG. 18 (b). The perception rate is the ratio of the number of trials that the subject felt the stimulus to the number of trials of each ultrasonic output. The 50% thresholds for 200 Hz and 50 Hz stimuli are about 1.1 mN and 1.6 mN, respectively. Subjects reliably (ie, 90%) felt 200 Hz and 50 Hz stimuli at approximately 1.6 mN and 2.4 mN, respectively. In the field of tactile sensation, it is well known that tactile sensitivity is high to a stimulus of about 200 Hz, and our results are consistent with this knowledge.

(触感実験5b:クロスフィールド効果)
本発明者らは、知覚的閾値より弱い超音波振動触覚刺激の予荷重の下で、レーザプラズマの衝撃波に対する知覚的閾値を評価するための検証を実施した。レーザハプティクスに対する超音波の2つの影響が考えられる。1つはレーザプラズマの知覚閾値を向上させるマスキング効果であり、もう1つは、それを減らす確率的効果である。
(Tactile experiment 5b: Crossfield effect)
We have conducted a verification to evaluate the perceptual threshold of laser plasma for shock waves under the preload of ultrasonic vibrational tactile stimuli weaker than the perceptual threshold. There are two possible effects of ultrasound on laser haptics. One is a masking effect that improves the perceptual threshold of the laser plasma, and the other is a stochastic effect that reduces it.

9人の被験者がこの検証に参加した(平均21.6歳、女性4人、男性5人)。被験者には、右手の人差し指を使ってフェムト秒レーザ誘起プラズマに触れるように依頼した。レーザ出力パワーは、0.05、0.10、又は、0.15Wに設定した。超音波の変調周波数は、PCチャネル及びRAチャネルをそれぞれ刺激するために、200Hz又は50Hzであった。被験者あたり24の試行がある。各試行では、被験者が最大10個のプラズマドットに触れ、且つ、自分の人差し指に何か感じたか否かを被験者に尋ねた。レーザ出力と超音波周波数の組み合わせを無作為化し、且つ、各レーザ出力と各超音波周波数を各試行で少なくとも4回繰り返した。超音波刺激は、各周波数及び対象について知覚できる力のすぐ下になるように調整された。被験者は、視覚情報を除外するために目隠しを着用し、聴覚情報を除外するために、ヘッドホンを着用してホワイトノイズを再生した。 Nine subjects participated in this study (mean 21.6 years, 4 females, 5 males). Subjects were asked to use the index finger of their right hand to touch the femtosecond laser-induced plasma. The laser output power was set to 0.05, 0.10, or 0.15 W. The modulation frequency of the ultrasonic waves was 200 Hz or 50 Hz to stimulate the PC channel and RA channel, respectively. There are 24 trials per subject. In each trial, the subject was asked if he had touched up to 10 plasma dots and felt something on his index finger. The combination of laser output and ultrasonic frequency was randomized and each laser output and each ultrasonic frequency was repeated at least 4 times in each trial. The ultrasonic stimulus was adjusted to be just below the perceptible force for each frequency and subject. Subjects wore blindfolds to exclude visual information and headphones to exclude auditory information to reproduce white noise.

実験は、図1に示すシステム構成に基づく好ましい実施形態(本明細書では「システムD」という)を使用して実施した。システムDはシステムCの超音波振動子アレイシステムをシステムAのそれと同様の光回路システムと組み合わせる。 The experiment was carried out using a preferred embodiment based on the system configuration shown in FIG. 1 (referred to herein as "system D"). System D combines the ultrasonic transducer array system of System C with an optical circuit system similar to that of System A.

図17に示すように、システムDの光回路システム構成は、コヒーレント社製のフェムト秒レーザ光源310を備える。このフェムト秒レーザ光源310は、中心波長が800nmであり、繰り返し周波数が1kHzであり、且つ、パルスエネルギーが1〜2MJである。フェムト秒レーザ光源310は、40fsのレーザパルスを放射するように構成されている。システムDは、更に、浜松ホトニクス社製のSLM(XB267 LC-SLM)を更に備える。このSLMは、解像度が768×768ピクセルであり、ピクセルサイズが20×20μmであり、且つ、応答時間が100msである。このSLMは、並列光アクセスに使用されるフーリエCGHを生成するように構成されている。CGHは、最適回転角度(ORA)メソッドから派生したものである。システムDは、ガルバノスキャナユニット330としてキヤノン社製GM-1010と、可変焦点レンズユニットとしてOptotune EL-10-30を使用する3D位置スキャナと、を含むセットアップを備える。これらのデバイスは、C++を使用して作成されたアプリケーションによって操作される。ワークスペースは2x2x2cmであるが、ガルバノスキャナの角度範囲を拡張可能なより大きなレンズを使用することによって、拡大することができる。 As shown in FIG. 17, the optical circuit system configuration of the system D includes a femtosecond laser light source 310 manufactured by Coherent. The femtosecond laser light source 310 has a center wavelength of 800 nm, a repetition frequency of 1 kHz, and a pulse energy of 1 to 2 MJ. The femtosecond laser light source 310 is configured to emit a laser pulse of 40 fs. System D is further equipped with SLM (XB267 LC-SLM) manufactured by Hamamatsu Photonics. This SLM has a resolution of 768 × 768 pixels, a pixel size of 20 × 20 μm 2 , and a response time of 100 ms. This SLM is configured to generate a Fourier CGH used for parallel optical access. CGH is derived from the Optimal Rotation Angle (ORA) method. System D includes a setup that includes a Canon GM-1010 as the galvano scanner unit 330 and a 3D position scanner that uses the Optotune EL-10-30 as the varifocal lens unit. These devices are operated by applications created using C ++. While workspace is 2X2x2cm 3, by using an angular range larger lens extensible the optical scanner can be enlarged.

システムDの超音波フェーズドアレイは、触覚画像をおおまかに生成することができる(空間解像度は、わずか16mm、波長の2倍である)。しかし、生成された触覚画像は、広い領域(約30cm)をカバーすることができ、且つ、放射圧は十分に強い(16mN)。システムDのフェムト秒レーザシステムは、触覚画像を正確に(空間分解能1μm)生成することができる。しかし、生成された触覚画像は、小さな領域(2cmまで)しかカバーすることができない。これらのレーザと超音波ハプティックスのワークスペースの重なり面積は2x2x2cmである。 System D's ultrasonic phased array can roughly generate tactile images (spatial resolution is only 16 mm, twice the wavelength). However, the generated tactile image can cover a large area (about 30 cm) and the radiation pressure is sufficiently strong (16 mN). The femtosecond laser system of System D can accurately generate tactile images (spatial resolution 1 μm). However, the generated tactile image can only cover a small area (up to 2 cm). The overlapping area of these lasers and the ultrasonic haptics workspace is 2x2x2 cm 3 .

システムDは、PCを使用して制御され、すべてのプログラムは、C++でコーディングされる。PCは、超音波フェーズドアレイと、SLMと、ガルバノスキャナユニットと、可変焦点レンズユニットと、に接続されている。インタラクションをモニタするために、顕微鏡カメラをPCへのUSBリンクを介してシステムに接続する。超音波フェーズドアレイ、ガルバノスキャナユニット、及び、バリフォーカルレンズユニットは、それぞれ、異なるスレッドに沿って動き、且つ、新しい描画パターンが入力されると同期する。ユーザ入力は60Hzでキャプチャされ、且つ、SLMは、外部ディスプレイとしてのコンピュータに接続される。 System D is controlled using a PC and all programs are coded in C ++. The PC is connected to an ultrasonic phased array, an SLM, a galvano scanner unit, and a varifocal lens unit. To monitor the interaction, connect the microscope camera to the system via a USB link to the PC. The ultrasonic phased array, the galvano scanner unit, and the varifocal lens unit each move along different threads and synchronize when a new drawing pattern is input. The user input is captured at 60 Hz and the SLM is connected to the computer as an external display.

光学システムでは、PCが直接座標を設定し、且つ、駆動ミラーと、レンズと、SLMと、を制御する。音響システムでは、PCは、FPGAに対して、焦点位置の座標と、出力と、を含むデータを送信する。FPGAは、データを受信すると、式(13)及び(15)に基づいて、振動子毎に適切な時間遅延を計算し、且つ、駆動信号を生成する。駆動信号は、増幅器を介して振動子に送られる。時間遅延計算アルゴリズムの修正は、音響ポテンシャル場の分布を変化させる。駆動力のパルス幅変調(PWM)制御によって出力が変化する。 In the optical system, the PC directly sets the coordinates and controls the drive mirror, the lens, and the SLM. In the acoustic system, the PC transmits data to the FPGA, including the coordinates of the focal position and the output. When the FPGA receives the data, it calculates an appropriate time delay for each oscillator based on the equations (13) and (15), and generates a drive signal. The drive signal is sent to the transducer via the amplifier. Modification of the time delay calculation algorithm changes the distribution of the acoustic potential field. The output changes depending on the pulse width modulation (PWM) control of the driving force.

結果を図18(d)に示す。ここで、「レーザのみ」は図18(a)と同一である。結果は、知覚的閾値より弱い超音波場がレーザ衝撃波の知覚に影響を及ぼすことを示している。知覚できない超音波予圧を持つレーザハプティクスの50%知覚閾値は約0.15Wである。これは「レーザのみ」のアプローチの約5倍である。(200Hz及び50Hzに対応する傾向線を「レーザのみ」に対応する傾向線と比較する図18(d)を参照)。 The results are shown in FIG. 18 (d). Here, "laser only" is the same as in FIG. 18 (a). The results show that ultrasonic fields weaker than the perceptual threshold affect the perception of laser shock waves. The 50% perceptual threshold of laser haptics with imperceptible ultrasonic preload is about 0.15 W. This is about five times the "laser only" approach. (See FIG. 18 (d), which compares the trend lines corresponding to 200 Hz and 50 Hz with the trend lines corresponding to "laser only").

結果は、2つの場が重ね合わされる場合があること、及び、場の組み合わせが触覚知覚に対して相乗効果を有することを実証している。さらに、結果は、マスキング効果、すなわち超音波がレーザプラズマに対する人間の感受性を抑制することをサポートしている。音場は、レーザハプティクスの触覚に影響する。これは、超音波予圧がレーザハプティクスをそれほど驚くべきものではなく、且つ、痛みを抑えることを意味する。この分野の重ね合わせは、また、多重解像度触覚画像のような利点を提供する。 The results demonstrate that the two fields may overlap and that the combination of fields has a synergistic effect on tactile perception. In addition, the results support a masking effect, that is, ultrasonic waves reduce human sensitivity to laser plasma. The sound field affects the tactile sensation of laser haptics. This means that ultrasonic preload makes laser haptics less surprising and less painful. Superposition in this area also provides advantages such as multi-resolution tactile images.

空中インタラクションのために、ボルメトリックディスプレイには2つの必要条件がある。ボルメトリックディスプレイは、安全で、且つ、アクセス可能であるべきである。実験は、システムDように設定されたシステムが安全で、且つ、アクセス可能な触覚インタラクションを提供できることを示している。 For aerial interaction, the volmetric display has two requirements. Volmetric displays should be safe and accessible. Experiments have shown that a system configured as System D can provide safe and accessible tactile interactions.

(触覚アプリケーション1)触覚インタフェース
本発明の他の実施形態によれば、対話型ユーザインタフェースが提供される。実験は、人間の接触がプラズマに与える効果について、検出可能であること、又は、コンテンツの変化を引き起こし得ることを示した。フェムト秒レーザ誘起プラズマは、接触しても安全な衝撃波を生成し、且つ、物体に接触すると明るくなる。図14(c)は、空中に生成された心臓と物体とのインタラクションの効果を示す。図14(f)は、指輪との接触後に「宝石」に変わる光点を示す。図14(g)は、輝点と指との間の直接的なインタラクションを示す。したがって、プラズマベースの空中ディスプレイは、カメラ又は他のセンサを追加することによって、対話型空中ディスプレイシステムに変えることができる。
(Tactile Application 1) Tactile Interface According to another embodiment of the present invention, an interactive user interface is provided. Experiments have shown that the effects of human contact on plasma are detectable or can cause content changes. The femtosecond laser-induced plasma produces a shock wave that is safe to contact and becomes brighter when it comes into contact with an object. FIG. 14 (c) shows the effect of the interaction between the heart and the object generated in the air. FIG. 14 (f) shows a light spot that turns into a "jewel" after contact with the ring. FIG. 14 (g) shows the direct interaction between the bright spot and the finger. Therefore, plasma-based aerial displays can be transformed into interactive aerial display systems by adding cameras or other sensors.

センサ、例えば、カメラ又は光検出器は、プラズマとユーザとの間のインタラクションの検出に使用可能である。また、触感は、例えば、空中チェックボックスの生成に使用可能である。図10(b)は、ユーザと空中像との間のインタラクションを示す。フェムト秒レーザ場は、空中ボタングラフィック12の生成に使用される。ユーザ10が空中ボタングラフィック12に触れると、ユーザ10は、触覚フィードバックとして働くプラズマとの接触によって引き起こされる衝撃波14を感知することができる。また、接触は、プラズマの明るさの変化を引き起こす。これは、カメラ又はプロセッサに結合された他の光学センサによって検出可能である。この検出された変化は、空中ボタングラフィックが選択されたことの表示として登録可能である。制御システムは、空中ボタングラフィックが補助的視覚フィードバックとして選択されたことを視覚的に示す、異なる空中ボタングラフィック16を生成するようにレーザフィールドを制御することができる。 Sensors, such as cameras or photodetectors, can be used to detect interactions between the plasma and the user. Tactile sensations can also be used, for example, to generate aerial checkboxes. FIG. 10B shows the interaction between the user and the aerial image. The femtosecond laser field is used to generate the aerial button graphic 12. When the user 10 touches the aerial button graphic 12, the user 10 can sense the shock wave 14 caused by the contact with the plasma acting as haptic feedback. The contact also causes a change in the brightness of the plasma. This can be detected by a camera or other optical sensor coupled to the processor. This detected change can be registered as an indication that the aerial button graphic has been selected. The control system can control the laser field to produce different aerial button graphics 16 that visually indicate that the aerial button graphic has been selected as ancillary visual feedback.

(触覚アプリケーション2:VR用マルチ分解能ハプティクス)
本発明に従って生成可能な音場の他の分布は、任意の3D形状を含む任意の形状を有する音場を含む。例えば、ワークスペースを囲む1つ以上の超音波フェーズドアレイを使用して、様々な形状の定在波を発生させて、任意の形状を有する音場を提供することができる。本実施形態によれば、式(2)を用いて複数のフェーズドアレイを用いた超音波計算ホログラフィで所望の3次元超音波分布を生成し、所望のCGHを形成することができる。複数のアレイを使用して定在波を生成する場合、各フェーズドアレイによって生成されるべきCGH Uは、他のフェーズドアレイに対するその空間位置に依存する。各フェーズドアレイについて、フェーズドアレイのUを得るために、フェーズドアレイの相対位置に従ってCGH Uを回転させるべきである。所望の3次元超音波分布は、各超音波フェーズドアレイによって提供される3次元超音波分布を重ね合わせることによって最終的に得られる。
(Tactile application 2: Multi-resolution haptics for VR)
Other distributions of sound fields that can be generated according to the present invention include sound fields having any shape, including any 3D shape. For example, one or more ultrasonic phased arrays surrounding a workspace can be used to generate standing waves of various shapes to provide a sound field with any shape. According to the present embodiment, a desired three-dimensional ultrasonic distribution can be generated by ultrasonic calculation holography using a plurality of phased arrays using the formula (2), and a desired CGH can be formed. When generating the standing wave by using a plurality of arrays, CGH U r to be generated by each phased array is dependent on its spatial position relative to other phased array. For each phased array, in order to obtain a phased array of U h, it should rotate the CGH U r according to the relative position of the phased array. The desired 3D ultrasonic distribution is finally obtained by superimposing the 3D ultrasonic distributions provided by each ultrasonic phased array.

レーザ誘導触覚画像は、SLM画像とガルバノスキャナユニットとの組み合わせによって与えられる。ハプティック画像Hiは、焦点の時系列の合計であり、式(16)によって与えられる。

Figure 0006935094
ここで、Uは、式(1)によって与えられるレーザ焦点位置を示し、tは期間を示し、pはレーザ強度を示す。 The laser-guided tactile image is given by the combination of the SLM image and the galvano scanner unit. The haptic image Hi is the sum of the time series of focal points and is given by Eq. (16).
Figure 0006935094
Here, Ur indicates the laser focal position given by the equation (1), t indicates the period, and p indicates the laser intensity.

本発明の他の実施形態によれば、仮想現実のための多重分解能ハプティクスが提供される。音場は、単純な3次元触覚画像及び一般的な触覚領域の提示に使用可能である。ライトフィールドは、詳細な触覚画像に使用可能である。AR/VRでは、オブジェクトの周囲長(単一)を超音波によって表すことができ、且つ、内部構造及び/又は表示(詳細)をレーザによって表すことができる。 According to other embodiments of the present invention, multiple resolution haptics for virtual reality are provided. The sound field can be used to present simple three-dimensional tactile images and general tactile regions. Lightfields can be used for detailed tactile images. In AR / VR, the perimeter (single) of an object can be represented by ultrasonic waves, and the internal structure and / or display (details) can be represented by a laser.

図23は、心臓の仮想3次元モデルにおける腫瘍の位置の提示に使用される拡張現実システムの一連の写真を示す。ARマーカ504は、カメラビューと3Dオブジェクトとの間の座標を一致させるために使用される。音場による低解像度の触覚画像は、3次元モデルの一部を指すための一般的なガイドとして使用されます。プラズマによる高解像度触覚画像は、対象となる3次元モデルの内部構造を正確に表現するために用いられる。参加者がシステムDによって生成された仮想3次元モデルに指を入れると、最初は仮想モデルの周囲に対応する外側の触覚画像を感じる。その後、参加者は仮想モデルの内側にレーザプラズマ触覚を感じる。このプラズマは、正確なポイント(例えば、臓器内の腫瘍、3次元触覚マップのポインタなど)への指標として機能する。このアプリケーションは、解像度と様々な触覚フィードバックパターンで従来の超音波ハプティクスを拡張する。 FIG. 23 shows a series of photographs of an augmented reality system used to present the location of a tumor in a virtual three-dimensional model of the heart. The AR marker 504 is used to match the coordinates between the camera view and the 3D object. The low resolution tactile image from the sound field is used as a general guide to point to part of the 3D model. High-resolution tactile images from plasma are used to accurately represent the internal structure of the 3D model of interest. When a participant puts his finger in the virtual 3D model generated by System D, he first feels the outer tactile image corresponding to the perimeter of the virtual model. Participants then feel the laser plasma tactile sensation inside the virtual model. This plasma serves as an indicator to an accurate point (eg, a tumor in an organ, a pointer to a three-dimensional tactile map, etc.). This application extends traditional ultrasonic haptics with resolution and various tactile feedback patterns.

(触覚アプリケーション3:空中点字アルファベット)
従来の点字アルファベットディスプレイは、ピンアクチュエータアレイ又は他の接触型ディスプレイで作られている。従来の超音波又はエアジェット触覚ディスプレイでは、正確で高解像度の触覚画像を作成することはできない。本発明の別の実施形態によれば、空中点字システムが提供される。システムDは、空中の任意の位置に小さく且つ正確な触覚画像を表現するようにプログラム可能である。これらの触覚画像は、点字ディスプレイの生成に使用可能なドット及びダッシュの集合とすることができる。点字アルファベットからの英数字及びそれに対応するCGHを表す一連の生成されたプラズマ画像を示す。盲目の被験者は、もはや点字文章を探す必要はない。システムDと統合されたカメラシステムは、盲目の被験者の指の位置を識別可能である。音場は、詳細な触覚画像の一般的な領域の提示に使用される。さらに、音場は、視覚障害者の指を詳細な触覚画像のための一般的な領域に導くように形作ることができる。したがって、盲目の被験者は、詳細な触覚画像の一般的な領域を簡単に見つけることができる。それは「タッチ」から「来る」に点字アルファベットとのインタラクションを変えるであろう。
(Tactile application 3: Aerial Braille alphabet)
Traditional Braille alphabet displays are made of pin actuator arrays or other contact displays. Conventional ultrasonic or air jet tactile displays cannot produce accurate, high-resolution tactile images. According to another embodiment of the present invention, an aerial Braille system is provided. System D is programmable to represent a small and accurate tactile image at any location in the air. These tactile images can be a collection of dots and dashes that can be used to generate a braille display. A series of generated plasma images representing alphanumeric characters from the Braille alphabet and their corresponding CGH are shown. Blind subjects no longer need to look for Braille sentences. A camera system integrated with System D can identify the position of a blind subject's finger. The sound field is used to present a general area of detailed tactile images. In addition, the sound field can be shaped to guide the visually impaired finger to a general area for detailed tactile images. Therefore, a blind subject can easily find a general area of a detailed tactile image. It will change the interaction with the Braille alphabet from "touch" to "come".

(オーディオの生成)
プラズマは、光と触知可能な衝撃波だけでなく、空中の音波も放射します。プラズマは、一連の衝撃波として可聴音を生成する。本発明者らは、各プラズマスポットが、平坦な周波数特性を有する理想的な点音源となり得ると仮定した。したがって、各プラズマスポットはスピーカとなり得る。
(Audio generation)
Plasma emits not only light and palpable shock waves, but also sound waves in the air. Plasma produces audible sound as a series of shock waves. We hypothesized that each plasma spot could be an ideal point source with flat frequency characteristics. Therefore, each plasma spot can be a speaker.

単一点音源の音圧pb(r)は、次式で表すことができる。

Figure 0006935094
ここで、rは点音源の位置からの距離であり、tは時間であり、p0は単位距離での音圧であり、kは波数であり、ωは音の角周波数である。空間分布に焦点を合わせるために、時間成分e−jωtは計算で省略可能である。相対圧力値が解析に十分であるので、pの値は1に等しいと仮定される。 The sound pressure pb (r) of a single-point sound source can be expressed by the following equation.
Figure 0006935094
Here, r is the distance from the position of the point sound source, t is the time, p0 is the sound pressure at a unit distance, k is the wave number, and ω is the angular frequency of the sound. In order to focus on the spatial distribution, the time component e −jωt can be omitted in the calculation. It is assumed that the value of p 0 is equal to 1 because the relative pressure value is sufficient for the analysis.

本発明者らは、また、同時に生成される複数のプラズマスポットがスピーカアレイを形成可能であると仮定した。プラズマスピーカアレイによって生成された音場をグラフィカルに設計するためのシミュレータは、式17に基づいて開発された。シミュレータは、図30(a)に示すようなグラフィカルユーザインタフェースを有する。これにより、ユーザはグリッド上の点を選択することにより音源の位置を入力することができる。そして、音源から放射された音波を計算し、その結果を指向性として表示する。すなわち、図30(b)〜(c)に示すヒートマップ、又は、図30(d)〜(e)に示すヒートマップである。 We also hypothesized that multiple plasma spots generated at the same time could form a speaker array. A simulator for graphically designing the sound field generated by the plasma speaker array was developed based on Equation 17. The simulator has a graphical user interface as shown in FIG. 30 (a). This allows the user to enter the position of the sound source by selecting a point on the grid. Then, the sound wave radiated from the sound source is calculated, and the result is displayed as directivity. That is, the heat map shown in FIGS. 30 (b) to 30 (c) or the heat map shown in FIGS. 30 (d) to 30 (e).

上述したように、光学的カー効果による歪みは焦点形状を変化させてフィラメント化をもたらす。この効果は、スピーカアレイの指向性に影響を与える可能性があるので、自由空間で複数のプラズマ音源を生成するときに考慮する必要がある。フィラメント化効果は、細長い焦点に沿って分布したプラズマスポットの合計として計算した。このモデルは、次のように、定式化された。

Figure 0006935094
ここで、rは、目標位置(x;y;z)とn番目のプラズマスポットとの間の距離である。総エネルギーは実際にはN個のプラズマドットの間で分割されたが、それら全てに対してp=1を使用し、且つ、計算において相対値を得た。 As mentioned above, the distortion due to the optical Kerr effect changes the focal shape and results in filamentation. This effect can affect the directivity of the speaker array and must be taken into account when generating multiple plasma sources in free space. The filamentization effect was calculated as the sum of the plasma spots distributed along the elongated focal point. This model was formulated as follows.
Figure 0006935094
Here, r n is the target position is the distance between (x; z; y) and n-th plasma spot. The total energy was actually divided among the N plasma dots, but p 0 = 1 was used for all of them and the relative values were obtained in the calculation.

本発明者らは、フェムト秒パルスレーザによって誘発された空中プラズマの音波特性を調査するために一連の実験を行った。実験では、放射された音は、192kHz及び24ビットで録音するマイクロホンシステムによって録音する。各マイクはモノラルマイクである。 We conducted a series of experiments to investigate the acoustic properties of aerial plasma induced by femtosecond pulsed lasers. In the experiment, the emitted sound is recorded by a microphone system that records at 192 kHz and 24 bits. Each microphone is a monaural microphone.

オーディオ実験1〜6のそれぞれについて、以下の好ましい実施形態のうちの1つ以上が使用された。 For each of the audio experiments 1-6, one or more of the following preferred embodiments were used.

図31は、本発明によるマルチポイントプラズマスピーカを生成するためのシステム600の例示的実施形態を示す。システム600は、システムコントローラ601と、フェムト秒レーザ光源610と、2つの空間光変調器620、625と、光学レンズ642、644、及び646と、を備える。レンズ646は、対物レンズとして機能する。システム600は、3次元空間内の任意の位置にプラズマ音源690を生成するために使用可能である。ビームサイズ、偏光、及び、パワーは調整可能である。例えば、偏光ビームスプリッタ(PBS)をそのような調整に使用することができる。 FIG. 31 shows an exemplary embodiment of the system 600 for producing a multipoint plasma speaker according to the present invention. The system 600 includes a system controller 601, a femtosecond laser light source 610, two spatial light modulators 620, 625, and optical lenses 642, 644, and 646. The lens 646 functions as an objective lens. The system 600 can be used to generate a plasma sound source 690 at any position in the three-dimensional space. Beam size, polarization, and power are adjustable. For example, a polarizing beam splitter (PBS) can be used for such adjustments.

図31に示す光学系設定に基づく好ましい実施形態(本明細書では「システムE」という)は、次の通りである。 A preferred embodiment based on the optical system settings shown in FIG. 31 (referred to as "system E" in the present specification) is as follows.

システムEは、800nmの中心波長、1kHzの繰り返し周波数と、0.4〜7mJのパルスエネルギーと、を有するコヒーレント社製のフェムト秒レーザ光源を含む。 System E includes a coherent femtosecond laser light source having a center wavelength of 800 nm, a repetition frequency of 1 kHz, and a pulse energy of 0.4 to 7 mJ.

システムEは、ウィンドウズ(登録商標)オペレーティングシステムを実行するPCを備えるシステムコントローラをさらに含む。すべてのプログラムは、DMD SLMsの動作を制御するC++でコード化されている。 System E further includes a system controller with a PC running the Windows® operating system. All programs are coded in C ++, which controls the operation of DMD SLMs.

システムEは、Texas Instruments社製の2つのDMD SLMs、DLP4500を含む。これらは、1190x712の解像度と、4kHzのフレームレートと、7.6x7.6μmのピクセルサイズと、を有する。DMD SLMは、USBインタフェースを介して制御される。第1DMD SLMは、波長分散を補償するために使用される。第1DMD SLMの全てのミラーピクセルは、一様に制御される。第2DMD SLMは、周波数変調と、複数のプラズマスピーカを空中に配置するための並列アクセスと、に使用される。第2DMD SLMのミラーピクセルは、パルス幅変調を用いて個々に切り替えられる。 System E includes two DMD SLMs, DLP4500, manufactured by Texas Instruments. They have a resolution of 1190x712, a frame rate of 4 kHz, and a pixel size of 7.6x7.6 μm 2. The DMD SLM is controlled via the USB interface. The first DMD SLM is used to compensate for the wavelength dispersion. All mirror pixels of the first DMD SLM are uniformly controlled. The second DMD SLM is used for frequency modulation and parallel access for placing multiple plasma speakers in the air. The mirror pixels of the second DMD SLM are individually switched using pulse width modulation.

システムEに関しては、1kHzまでの周波数(レーザ光源の繰り返し周波数)を有する音を放射することができる。1kHz未満の周波数は、余分なレーザパルスを差し引くことによって生成される。SLMのフレームレートは4kHzであるので、個々のレーザパルスを制御して目標点に送出するか否かを切替可能である。変動および周波数の範囲は、より高速なレーザ光源及びDMDを使用することによって改善することができる。 With respect to the system E, sound having a frequency up to 1 kHz (repetition frequency of the laser light source) can be emitted. Frequencies below 1 kHz are generated by subtracting extra laser pulses. Since the frame rate of the SLM is 4 kHz, it is possible to switch whether or not to control each laser pulse and send it to the target point. Fluctuation and frequency ranges can be improved by using faster laser sources and DMDs.

レンズ642及び644は、100mmの焦点距離を有し、且つ、レンズ646は、40mmの焦点距離を有する。 The lenses 642 and 644 have a focal length of 100 mm, and the lens 646 has a focal length of 40 mm.

図32は、本発明によるマルチポイントプラズマスピーカを生成するためのシステム700の例示的実施形態を示す。システム700は、システムコントローラ701と、フェムト秒レーザ光源710と、空間光変調器720と、対物レンズとして機能する光学レンズ742と、を含む。システム700を使用して、3次元空間内の任意の位置に複数のプラズマ音源790を生成することができる。ビームサイズ、偏光、及び、パワーは、PBSを使用することによって調整可能である。 FIG. 32 shows an exemplary embodiment of the system 700 for producing a multipoint plasma speaker according to the present invention. The system 700 includes a system controller 701, a femtosecond laser light source 710, a spatial light modulator 720, and an optical lens 742 that functions as an objective lens. The system 700 can be used to generate a plurality of plasma sound sources 790 at arbitrary positions in the three-dimensional space. Beam size, polarization, and power can be adjusted by using PBS.

図32に示す光学系セットアップに基づく好ましい実施形態(以下「システムF」という)について説明する。 A preferred embodiment (hereinafter referred to as “system F”) based on the optical system setup shown in FIG. 32 will be described.

システムFは、コヒーレント社製のフェムト秒レーザ光源を含む。コヒーレント社製のフェムト秒レーザ光源は、800nmの中心波長と、1kHzの繰り返し周波数と、0.4〜7mJのパルスエネルギーと、を有する。 System F includes a femtosecond laser light source manufactured by Coherent. A femtosecond laser light source manufactured by Coherent has a center wavelength of 800 nm, a repetition frequency of 1 kHz, and a pulse energy of 0.4 to 7 mJ.

システムFは、ウィンドウズ(登録商標)オペレーティングシステムを実行するPCを含むシステムコントローラをさらに含む。すべてのプログラムはSLMの動作を制御するC++でコード化されている。 System F further includes a system controller including a PC running the Windows® operating system. All programs are coded in C ++, which controls the operation of SLM.

システムFは、浜松ホトニクス社製のLCOS−SLMを含む。このLCOS−SLMは、768×768の解像度と、10Hzのフレームレートと、20×20μmの画素サイズと、を有する。LCOS−SLMは、USBインタフェース及びビデオグラフィックアレイ(GVA)ディスプレイインタフェースを介して制御される。 System F includes LCOS-SLM manufactured by Hamamatsu Photonics. The LCOS-SLM has a resolution of 768 × 768, a frame rate of 10 Hz, and a pixel size of 20 × 20 μm 2. The LCOS-SLM is controlled via a USB interface and a video graphic array (GVA) display interface.

システムFに関しては、1kHzまでの周波数(レーザ源の繰り返し周波数)を有する音を放射することができる。より低い周波数は、過剰なレーザパルスを差し引くことによって生成可能である。SLMのフレームレートは10Hzであるので、最大5Hzのバースト波(無音の場合は10ms、1kHzのサウンド放射の場合は10ms)を生成することができる。変動及び周波数の分解能は、より高速なレーザ光源及びSLMを使用することによって改善することができる。 With respect to the system F, sound having a frequency up to 1 kHz (repetition frequency of the laser source) can be emitted. Lower frequencies can be generated by subtracting excess laser pulses. Since the frame rate of the SLM is 10 Hz, a burst wave of a maximum of 5 Hz (10 ms in the case of silence) and 10 ms in the case of sound radiation of 1 kHz can be generated. Fluctuation and frequency resolution can be improved by using faster laser sources and SLMs.

レンズ742は、焦点距離200mmを有する。 The lens 742 has a focal length of 200 mm.

図33は、本発明によるマルチポイントプラズマスピーカを生成するためのシステム800の例示的実施形態を示す。システム800は、システムコントローラ801と、フェムト秒レーザ光源810と、SLM820と、光学ミラー及びレンズ842、844、及び846と、ガルバノスキャナユニット830と、マイクロレンズアレイ880と、を含む。マイクロレンズアレイは、対物レンズとして機能する。 FIG. 33 shows an exemplary embodiment of the system 800 for producing a multipoint plasma speaker according to the present invention. The system 800 includes a system controller 801, a femtosecond laser light source 810, an SLM 820, an optical mirror and lenses 842, 844, and 846, a galvano scanner unit 830, and a microlens array 880. The microlens array functions as an objective lens.

図33に示す光学系セットアップに基づく好ましい実施形態(以下「システムG」という)について説明する。 A preferred embodiment (hereinafter referred to as “system G”) based on the optical system setup shown in FIG. 33 will be described.

システムGは、コヒーレント社製のフェムト秒レーザ光源を含む。このフェムト秒レーザ光源は、800nmの中心波長と、1kHzの繰り返し周波数と、2mJまでのパルスエネルギーと、30fs〜100fsの間で調整可能なパルス幅とを有する。 System G includes a femtosecond laser light source manufactured by Coherent. This femtosecond laser source has a center wavelength of 800 nm, a repetition frequency of 1 kHz, pulse energy up to 2 mJ, and a pulse width adjustable between 30 fs and 100 fs.

システムGは、浜松ホトニクス社製のLCOS−SLMをさらに含む。このデバイスは、2ラジアンを超える位相のみを変調することができ、且つ、768ピクセルx768ピクセルの解像度と、20x20μmのピクセルサイズと、100msの応答時間と、を有する。 System G further includes LCOS-SLM manufactured by Hamamatsu Photonics. The device can only modulate phases greater than 2 radians and has a resolution of 768 pixels x 768 pixels, a pixel size of 20 x 20 μm 2 , and a response time of 100 ms.

システムGは、さらに、ガルバノスキャナユニットを含む。これは、スキャナ制御ボード(キヤノンGB−501)によって駆動される走査ヘッドユニット(キヤノンGH−315)を含む。走査ヘッドユニット(キャノンGH−315)は、10〜14mmのビーム直径と、±0.17radの走査角度と、5μrad未満の誤差と、20ビットの分解能と、を有する。走査ヘッドは、少なくとも約10x10mmの面積をカバーする。スキャナ制御ボード(キヤノンGB−501)は、スキャンヘッドユニットとレーザユニットを制御して、レーザビームをXY平面内の任意の座標に向ける。それは、PCとインタフェースするための標準的なPCIバスを有し、且つ、PCコマンドから命令を受け取る。 System G further includes a galvano scanner unit. It includes a scanning head unit (Canon GH-315) driven by a scanner control board (Canon GB-501). The scanning head unit (Canon GH-315) has a beam diameter of 10 to 14 mm, a scanning angle of ± 0.17 rad, an error of less than 5 μrad, and a resolution of 20 bits. The scanning head covers an area of at least about 10x10 mm 2. The scanner control board (Canon GB-501) controls the scan head unit and the laser unit to direct the laser beam to any coordinate in the XY plane. It has a standard PCI bus for interfacing with a PC and receives instructions from PC commands.

システムGは、ウィンドウズ(登録商標)オペレーティングシステムを走らせているすべてのプログラムがSLM、ガルバノスキャナユニット、及び、バリフォーカルレンズユニットの動作を制御するC++でコード化されたPCを含むシステムコントローラをさらに備える。ガルバノスキャナユニットとバリフォーカルレンズユニットは異なるスレッドに沿って走り、且つ、新しい描画パターンが受け取られたときに同期する。ユーザ入力は20Hzで取り込まれてもよい。制御システムは、さらに、光学系と表示媒体との間のインタラクションのモニタリングに使用されるUSB顕微鏡を含む。 System G further comprises a system controller including a C ++ coded PC in which all programs running the Windows® operating system control the operation of the SLM, galvano scanner unit, and varifocal lens unit. .. The galvano scanner unit and the varifocal lens unit run along different threads and synchronize when a new drawing pattern is received. User input may be captured at 20 Hz. The control system further includes a USB microscope used to monitor the interaction between the optics and the display medium.

システムGはマイクロレンズアレイをさらに含む。マイクロレンズアレイのレンズサイズは4x4mmであり、且つ、焦点距離は38.24mmである。 System G further includes a microlens array. The lens size of the microlens array is 4x4 mm 2 , and the focal length is 38.24 mm.

システムGは、任意の位置に複数の音源を作り出すことができる。SLM820は、単一のレーザビーム812をCGHによって複数のビーム814に分割し、ガルバノミラー830はこれらのビームを複数の焦点に向ける。最後に、マイクロレンズアレイ880はこれらのビームを集束させてそれらを音源にする。 The system G can create a plurality of sound sources at arbitrary positions. The SLM820 divides a single laser beam 812 into multiple beams 814 by CGH, and the galvanometer mirror 830 directs these beams to multiple focal points. Finally, the Microlens Array 880 focuses these beams into a sound source.

図34は、本発明によるマルチポイントプラズマスピーカを生成するためのシステム900の例示的実施形態を示す。システム900は、SLMの代わりに製造された変調器980を含む。変調器は、印刷マスクで覆われたマイクロレンズアレイである。 FIG. 34 shows an exemplary embodiment of a system 900 for producing a multipoint plasma speaker according to the present invention. System 900 includes a modulator 980 manufactured in place of SLM. The modulator is a microlens array covered with a print mask.

製造された変調器は、インクジェットプリンタを使用して透明フィルム上にグレースケールパターンを印刷することによって製作可能な受動型変調器である。レーザパルスビームは、ガルバノミラーを使用して製造された変調器上で走査され、且つ、焦点は、グレースケールパターンのエネルギー吸収によって変調される。この方法は、インクジェットプリンタの高い空間解像度を利用する。 The manufactured modulator is a passive modulator that can be manufactured by printing a grayscale pattern on a transparent film using an inkjet printer. The laser pulse beam is scanned on a modulator manufactured using a galvano mirror, and the focal point is modulated by the energy absorption of a grayscale pattern. This method takes advantage of the high spatial resolution of inkjet printers.

図34に示す光学系セットアップに基づく好ましい実施形態(以下「システムH」という)について説明する。 A preferred embodiment (hereinafter referred to as “system H”) based on the optical system setup shown in FIG. 34 will be described.

システムHは、SLM830が光学ミラー940と置き換えられ、且つ、マイクロレンズアレイ880が製造された変調器980と置き換えられること以外は、システムGと同様である。 The system H is similar to the system G except that the SLM 830 is replaced with an optical mirror 940 and the microlens array 880 is replaced with a manufactured modulator 980.

システムHは、300dpiの解像度を有する製造された変調器を含む。 System H includes a manufactured modulator with a resolution of 300 dpi.

ガルバノミラー930は、製造された変調器980のグレースケールパターンを通してプログラムされた軌跡に沿ってレーザビーム912を向ける。レーザビーム912は、グレースケールパターンによって減衰され、次いでマイクロレンズアレイは、レーザビームを集束させる。グレースケールパターンは、レーザビームの振幅の変調に使用される。グレースケールパターンは、再生用のオーディオデータ(フォノレコードのような方法)に従って導出可能であり、又は、ガルバノミラーがコード化パターン内の特定の位置にレーザビームを向けて特定の音を生成するコード化パターン(ピアノのような方法)とすることができる。 The galvanometer mirror 930 directs the laser beam 912 along a trajectory programmed through the grayscale pattern of the manufactured modulator 980. The laser beam 912 is attenuated by a grayscale pattern, and then the microlens array focuses the laser beam. Grayscale patterns are used to modulate the amplitude of the laser beam. The grayscale pattern can be derived according to the audio data for playback (a phonorecord-like method), or a code in which the galvanometer mirror directs the laser beam to a specific position in the coding pattern to produce a specific sound. It can be a conversion pattern (a method like a piano).

(オーディオ実験1:レーザパワーvsサウンドボリューム)
本発明者らは、プラズマ生成とスピーカの結果として生じる放射との間の関係を評価するために実験を行った。実験は、エネルギーレベルに対応する音量を決定した。実験は、0.05〜1.60Wの時間平均電力出力範囲に対して、30fsに構成されたシステムAを使用して行われた。実験は、0.16〜1.6mJの範囲内のパルス当たりのエネルギーの下で行われた。実験結果を図25(a)に示す。位相は、図25(b)に示すように、レーザビーム5の伝播方向とプラズマスポット2に対するマイクロホンの位置との間の相対角度である。縦軸は、音波の振幅をリニアスケール(デシベルではない)で示している。より明るいプラズマスポットは、より大きな音を伴う傾向がある。
(Audio Experiment 1: Laser Power vs Sound Volume)
We conducted experiments to evaluate the relationship between plasma generation and the radiation that results from the speaker. The experiment determined the volume corresponding to the energy level. The experiment was performed using System A configured at 30 fs for a time average power output range of 0.05 to 1.60 W. The experiments were performed under energy per pulse in the range of 0.16 to 1.6 mJ. The experimental results are shown in FIG. 25 (a). The phase is the relative angle between the propagation direction of the laser beam 5 and the position of the microphone with respect to the plasma spot 2, as shown in FIG. 25 (b). The vertical axis shows the amplitude of the sound wave on a linear scale (not decibels). Brighter plasma spots tend to be accompanied by louder sounds.

(オーディオ実験2:極性特性)
本発明者らは、音波アプリケーションに対するレーザフィラメント化の影響を考慮するために、単一音源の極性特性を評価するための実験を行った。音源の極性特性は、近距離での音源の指向特性の尺度であるのに対して、指向性は、一般に遠距離での指向特性の尺度である。この実験及び以下の実験では、オーディオデータは短い距離で測定されたものであり、音波はさらに長い距離で互いに干渉し合う可能性がある。それにもかかわらず、極性特性及び指向性という用語は、振幅に対する角度を示すプロットに関して同様であり、本明細書では互換的に使用される。
(Audio experiment 2: Polar characteristics)
We conducted experiments to evaluate the polarity characteristics of a single sound source in order to consider the effect of laser filamentization on sonic applications. The polarity of a sound source is a measure of the directivity of a sound source at a short distance, whereas the directivity is generally a measure of the directivity of a sound source at a long distance. In this experiment and in the experiments below, the audio data was measured at short distances and the sound waves could interfere with each other over longer distances. Nevertheless, the terms polarity and directivity are similar for plots that indicate angles with respect to amplitude and are used interchangeably herein.

指向性は音源の配置によって決まる。したがって、指向性に関するこれらのデバイスの違いは、それらが空中で音源をどの程度自由に生成できるかという点にある。 Directivity is determined by the placement of the sound source. Therefore, the difference between these devices in terms of directivity is how freely they can generate sound sources in the air.

本発明者らは、3つの異なる焦点距離レンズ(f=40、100及び300mm)を用いて実験した。フェムト秒レーザ光源は、30fsのパルス幅と、6.62Wの光源出力と、1kHzの繰り返しパルス(6.62mJ/パルス)と、を有するように構成される。 We have experimented with three different focal length lenses (f = 40, 100 and 300 mm). The femtosecond laser light source is configured to have a pulse width of 30 fs, a light source output of 6.62 W, and a repeating pulse of 1 kHz (6.62 mJ / pulse).

図26は、左から右へ伝播するレーザビームに対する様々な焦点距離における単一焦点の極性特性を示す。実験は、短焦点距離レンズのフィラメント化が長焦点距離レンズより短いことを示した。実験は、また、フィラメント化が音放射の指向性を有することを示した。平行方向よりも垂直方向により強い音を放射する。このグラフは、焦点距離が長くなると顕著になるフィラメント化の特性を示している。 FIG. 26 shows the polarity characteristics of a single focal point at various focal lengths for a laser beam propagating from left to right. Experiments have shown that filamentation of short focal length lenses is shorter than that of long focal length lenses. Experiments have also shown that filamentization has a directivity of sound radiation. It emits stronger sound in the vertical direction than in the parallel direction. This graph shows the filamentization characteristics that become more pronounced as the focal length increases.

音源から放射される音波間の干渉は、それらの周りの複雑な音圧分布を作る。音圧の2次元空間マップは、これらの音源を記述するために使用される。しかし、遠くから見ると、これらの音源は指向性を持つ単一音源のように見える。そのため、角度、つまり極性特性は、単一音源の特性を十分に表す。 Interference between sound waves emitted from sound sources creates a complex sound pressure distribution around them. A two-dimensional spatial map of sound pressure is used to describe these sources. However, when viewed from a distance, these sound sources look like a single directional sound source. Therefore, the angle, that is, the polarity characteristic, sufficiently represents the characteristic of a single sound source.

(オーディオ実験3:パルス幅vs.サウンドボリューム)
本発明者らは、パルス幅設定毎に、レーザ出力と結果として生じるスピーカの音量との間の関係を調べるために実験を行った。実験は、システムAを使用して、パルス幅を30fs及び100fsに設定し、レーザ出力パワー範囲を0.05〜1.60Wにして行った。オーディオ実験1で使用したものと同じマイクロホンを使用して、発生音を取り込んだ。
(Audio Experiment 3: Pulse Width vs. Sound Volume)
We conducted an experiment to investigate the relationship between the laser output and the resulting speaker volume for each pulse width setting. Experiments were performed using System A with pulse widths set to 30 fs and 100 fs and a laser output power range of 0.05 to 1.60 W. The generated sound was captured using the same microphone used in Audio Experiment 1.

実験結果を図27に示す。100fsのパルス幅から生成されたプラズマは、30fsのパルス幅から生成されたプラズマよりもわずかに弱い音を放射するが、その差は同じレーザ光源の電力の下では最小である。 The experimental results are shown in FIG. A plasma generated from a pulse width of 100 fs emits a slightly weaker sound than a plasma generated from a pulse width of 30 fs, but the difference is minimal under the power of the same laser source.

(オーディオ実験4:周波数領域の特性)
本発明者らは、高速フーリエ変換(FFT)を用いて測定音の周波数特性を解析した。図25(a)〜(b)は、単一焦点の例示的な音波形及び周波数特性を示す。図25(a)は、時間領域における記録波形を示し、図25(b)は、算出された周波数スペクトルを示す。1kHz間隔で鋭いピークがあるが、これはフェムト秒レーザ光源の繰り返し周波数が1kHzであることから予想される。時間領域で1msの間隔で繰り返される鋭いパルスは、周波数領域で1kHzの間隔でくし型関数によってサンプリングされた広域スペクトルに変換される。
(Audio Experiment 4: Frequency Domain Characteristics)
We analyzed the frequency characteristics of the measured sound using the Fast Fourier Transform (FFT). 25 (a)-(b) show exemplary sonic shapes and frequency characteristics of a single focus. FIG. 25 (a) shows the recorded waveform in the time domain, and FIG. 25 (b) shows the calculated frequency spectrum. There are sharp peaks at 1 kHz intervals, which is expected because the repetition frequency of the femtosecond laser source is 1 kHz. Sharp pulses that repeat at 1 ms intervals in the time domain are converted into a wide spectrum sampled by a comb function at 1 kHz intervals in the frequency domain.

(オーディオ実験5:マイクロレンズアレイによって同時アドレスされるボクセルの極性特性)
発明者らは、複数のプラズマ音源を同時に自由空間に生成できるか否かを判断するために実験を行った。同時アドレス指定は、音場の空間分布、音源の極性特性、及び、指向性スピーカの機能の生成に重要である。同時にアドレス指定されるプラズマスピーカは、エネルギーがそれらの間で分配されるので、単一のプラズマスピーカよりもスピーカの最大量が小さい。この実験では、マイクロレンズアレイから複数の音源を同時に発生させた。
(Audio Experiment 5: Polarity Characteristics of Voxels Addressed Simultaneously by Microlens Arrays)
The inventors conducted experiments to determine whether multiple plasma sound sources could be generated in free space at the same time. Simultaneous addressing is important for the spatial distribution of the sound field, the polarity characteristics of the sound source, and the generation of directional speaker functionality. Simultaneously addressed plasma speakers have a smaller maximum amount of speakers than a single plasma speaker because energy is distributed between them. In this experiment, multiple sound sources were generated simultaneously from the microlens array.

マイクロレンズアレイは、個別の小型レンズを有する。マイクロレンズアレイは、一般に、格子状に配置された凹部を有する表面を有するガラス板である。各凹部は、レンズとして作用する。この実験では、4×4mmのレンズを有するマイクロレンズアレイを使用した。 The microlens array has a separate small lens. A microlens array is generally a glass plate having a surface having recesses arranged in a grid pattern. Each recess acts as a lens. In this experiment, a microlens array with a 4 x 4 mm 2 lens was used.

マイクロレンズアレイが対物レンズとして使用される場合、単一のレーザビームは小さなレンズによって分割され、且つ、マルチアクセスはSLMなしで達成される。例えば、レーザビームの直径が約8mmの場合、レーザビームは4つの隣接するレンズのグループを通過することができ、その結果として、焦点が形成される。図36(a)は、レンズ22を有するマイクロレンズアレイ20を示す。レーザビームは、レーザビームを4つのビームに分割する暗いレンズ24によって示されるレンズ群を通過する。SLMがマイクロレンズアレイと共に使用される場合、マイクロレンズアレイ上の任意のレンズが焦点の形成に利用可能である(例えば、図35(b)を参照)。図36(b)に示すように、暗色レンズ24は、レーザビームに対して異なる照射パターンを示す。 When a microlens array is used as an objective, a single laser beam is split by a small lens and multi-access is achieved without SLM. For example, if the diameter of the laser beam is about 8 mm, the laser beam can pass through a group of four adjacent lenses, resulting in the formation of a focal point. FIG. 36A shows a microlens array 20 having a lens 22. The laser beam passes through the lens group indicated by the dark lens 24, which divides the laser beam into four beams. When the SLM is used with a microlens array, any lens on the microlens array is available for focal formation (see, eg, FIG. 35 (b)). As shown in FIG. 36 (b), the dark lens 24 shows a different irradiation pattern with respect to the laser beam.

この実験は、同時に生成された複数の音源の極性特性を調査し、且つ、その結果を比較するためにシミュレータとホログラムジェネレータを検証することを目的とした。空間分布プラズマの違いを考慮するために、レンズの焦点距離が38.24mmのマイクロレンズアレイ(4×4mm)を用いて実験を行った。サウンドは、−90°から90°までの様々な位置に配置されたモノラルマイクで録音された。図36(e)に示すように、レーザパルスビームは、4つのレンズ24を通過し、且つ、4つの焦点26でプラズマ放出効果を引き起こす4つのレーザパルスビーム21に分割される。誘導プラズマは相互作用する音波を発生して、音圧分布を形成する。それはプラズマの分布に依存する。図1および図2を参照する。図36(c)および図36(d)は、図35および図36に示す照射パターンを有するマイクロレンズアレイによって誘起されるプラズマ分布に対応する理論上の音圧分布を、それぞれ図36(a)および36(b)に示す。 The purpose of this experiment was to investigate the polar characteristics of multiple sound sources generated at the same time and to verify the simulator and hologram generator to compare the results. In order to consider the difference in spatially distributed plasma, an experiment was conducted using a microlens array (4 × 4 mm 2) having a lens focal length of 38.24 mm. The sound was recorded with monaural microphones located at various positions from -90 ° to 90 °. As shown in FIG. 36 (e), the laser pulse beam passes through the four lenses 24 and is divided into four laser pulse beams 21 that cause a plasma emission effect at the four focal points 26. Inductively coupled plasmas generate interacting sound waves to form a sound pressure distribution. It depends on the distribution of plasma. See FIGS. 1 and 2. 36 (c) and 36 (d) show the theoretical sound pressure distribution corresponding to the plasma distribution induced by the microlens array having the irradiation pattern shown in FIGS. 35 and 36, respectively. And 36 (b).

変調器としてマイクロレンズアレイを利用するシステムの結果を図44に示す。図44は、10kHz、20kHz、30kHz、40kHz、50kHz、60kHz、70kHz、80kHz、及び、90kHz成分の指向特性を示している。これらの測定は、周波数に応じたレーザ生成音源間の干渉の基本特性を示している。 The result of the system using the microlens array as a modulator is shown in FIG. FIG. 44 shows the directivity characteristics of the 10 kHz, 20 kHz, 30 kHz, 40 kHz, 50 kHz, 60 kHz, 70 kHz, 80 kHz, and 90 kHz components. These measurements show the basic characteristics of frequency-dependent interference between laser-generated sources.

可能性のあるプラズマ分布はマイクロレンズの間隔によって制限される。マイクロレンズアレイの代わりに連続的な対物レンズは、任意の配置及び間隔で音源を生成することができる。 The possible plasma distribution is limited by the spacing of the microlenses. A continuous objective instead of a microlens array can generate sound sources at any arrangement and spacing.

(オーディオ実験6:SLMによる同時アドレスされたボクセルの極性特性)
本発明者らは、SLM及びホログラムから同時に生成された複数の音源の極性特性を評価するために実験を行った。この実験は、オーディオ実験5に記載したマイクロレンズアレイによってプラズマの空間位置が固定された前述の実験で用いたホログラフィ技術を使用して生成された複数の音源の極座標特性の比較を目的とした。また、この実験は、音場の推定及び設計のために開発された指向性/分布シミュレータの検証も目的とした。この実験では、30mmの焦点距離が使用された。光路に向かって90°の位置に配置されたモノラルマイクロホンを使用して音を記録した。SLMからのプラズマ分布は、10°ステップでCGHを変えることによって循環させた。図32は、結果及びシミュレーションを示す。その結果、SLMとCGHを用いたプラズマ分布を生成することができ、且つ、測定された分布がシミュレーション結果を検証することを確認した。
(Audio Experiment 6: Polar Characteristics of Simultaneously Addressed Voxels by SLM)
The present inventors conducted experiments to evaluate the polar characteristics of a plurality of sound sources simultaneously generated from SLM and hologram. The purpose of this experiment was to compare the polar coordinate characteristics of a plurality of sound sources generated by using the holography technique used in the above-mentioned experiment in which the spatial position of the plasma was fixed by the microlens array described in the audio experiment 5. This experiment also aimed to verify the directivity / distribution simulator developed for sound field estimation and design. A focal length of 30 mm was used in this experiment. Sound was recorded using a monaural microphone located 90 ° towards the optical path. The plasma distribution from the SLM was circulated by changing the CGH in 10 ° steps. FIG. 32 shows the results and simulation. As a result, it was confirmed that the plasma distribution using SLM and CGH can be generated, and that the measured distribution verifies the simulation result.

この実験のために、システムFを使用した。 System F was used for this experiment.

2つの音源及び4つの音源は、0.5mm間隔で生成されたが、効果的な干渉には短過ぎた。これは、より大きな直径の対物レンズを使用することによって改善可能である。音源間の間隔を長くするためのもう1つの方法として、マイクロレンズアレイをLCOS−SLMと組み合わせて使用することができる。 Two and four sources were generated at 0.5 mm intervals, but were too short for effective interference. This can be improved by using a larger diameter objective lens. As another method for increasing the spacing between sound sources, a microlens array can be used in combination with LCOS-SLM.

(オーディオアプリケーション) (Audio application)

(オーディオアプリケーション1:3次元空中オーディオスピーカ(空間オーディオ))
レーザ誘起プラズマは、3次元空間内の任意の位置に操作し、且つ、分布させることができる。超短パルスレーザの焦点に誘導されたプラズマはインパルス状の衝撃波を発生させる。衝撃波は変調され、且つ、空間音響設計に適合させることができる。このようにして、プラズマは、現実の世界では3次元(3D)構成の任意の位置にオーディオスピーカとして配置することができる。 この空間制御機能は、サウンド分配制御の可能なアプリケーションを拡大します。3次元オーディオの生成は、ビジュアルディスプレイとともに、ユーザをコミュニケーションやエンターテイメントに没頭させる上で重要な役割を果たす。
(Audio application 1: 3D aerial audio speaker (spatial audio))
The laser-induced plasma can be manipulated and distributed at any position in the three-dimensional space. The plasma guided to the focal point of the ultrashort pulse laser generates an impulse-like shock wave. The shock wave is modulated and can be adapted to the spatial acoustic design. In this way, the plasma can be placed as an audio speaker at any position in the three-dimensional (3D) configuration in the real world. This spatial control feature extends the range of applications that can control sound distribution. The generation of 3D audio, along with the visual display, plays an important role in immersing users in communication and entertainment.

本発明の例示的実施形態によれば、プラズマベースの空中スピーカが提供される
本発明者らは、音量の制御方法を検討した。振幅制御は、レーザパルスの強度(すなわちパワー)を調整することによって行われる。一定強度のレーザパルスの場合、DMD SLM、LC−SLM、LCOS−SLM、製造された変調器、又は、ビームシャッタを用いてレーザパルスの強度を減衰させることができる。DMD SLMはオンになっているピクセルの数を制御することができるので、入射レーザパルスのうち反射されるレーザパルスの量の制御に使用することができる。LC型SLMは、単一のレーザパルスビームから複数の焦点を生成することができるので、レーザパルスビームを分割することによってレーザ強度を減少させるために使用することができる。グレースケールガラスは、入射レーザパルスのうち透過するレーザパルスの量を制御することができるので、レーザ強度を減衰させるために使用することができる。グレースケールガラスは、様々なグレースケールの透かし画像が印刷されたピクセル領域を有する製造された変調器である。ビームシャッタは、レーザパルスの強度を減衰させることもできる。ビームシャッタは、レーザパルスビームの断面積を減少させることができるので、入射レーザのうち透過するレーザの量を制御するために使用することができる。
According to an exemplary embodiment of the present invention, the present inventors who provide a plasma-based aerial speaker have studied a method for controlling volume. Amplitude control is performed by adjusting the intensity (ie, power) of the laser pulse. For laser pulses of constant intensity, DMD SLM, LC-SLM, LCOS-SLM, manufactured modulators, or beam shutters can be used to attenuate the intensity of the laser pulse. Since the DMD SLM can control the number of pixels that are turned on, it can be used to control the amount of reflected laser pulses of the incident laser pulses. Since the LC type SLM can generate a plurality of focal points from a single laser pulse beam, it can be used to reduce the laser intensity by dividing the laser pulse beam. Grayscale glass can be used to attenuate the laser intensity because the amount of transmitted laser pulses among the incident laser pulses can be controlled. Grayscale glass is a manufactured modulator with pixel areas printed with various grayscale watermark images. The beam shutter can also attenuate the intensity of the laser pulse. Since the beam shutter can reduce the cross-sectional area of the laser pulse beam, it can be used to control the amount of transmitted laser among the incident lasers.

本発明者らは、周波数の変調方法を検証した。周波数制御は、レーザパルスの繰り返し率を調整することによって行われる。固定周波数のレーザパルスの場合、幾つかのパルスを除去することができる。これは、意図した周波数でレーザパルスを音源位置に送ることによって実現できる。例えば、1kHzのパルスレーザ源が使用され、且つ、500Hzのトーンが望まれる場合、レーザ源によって生成されたパルスの半分だけが音源位置に向けられるべきである。
このようにして、繰り返し周波数の半分、3分の1、4分の1などを生成することができる。DMD SLM及び/又はガルバノスキャナを使用して、レーザ源から来る一連のパルスから過剰なレーザパルスを差し引くことができる。例えば、DMD SLMは、パルス列から特定のレーザパルスのみを反射するように制御することができる。ガルバノスキャナユニットは、パルス列から特定のレーザパルスのみを目標位置に向けるように制御することができる。図37(c)に示すように、ガルバノスキャナユニット85は、レーザビームパルスを目標位置82と終端位置86とに交互に向けることによって生成された周波数を半分にするために使用される。ガルバノスキャナユニットは、DMD SLMより遅いので、DMD SLMが好ましい。ビームチョッパ又はシャッタは、パルス列から特定のパルスを遮断するのに使用することもできる。より高速なレーザ源とSLMを用いると、生成可能な音の周波数の範囲を広げることができる。
We have verified a method of frequency modulation. Frequency control is performed by adjusting the repetition rate of the laser pulse. For fixed frequency laser pulses, some pulses can be removed. This can be achieved by sending a laser pulse to the sound source position at the intended frequency. For example, if a 1 kHz pulsed laser source is used and a 500 Hz tone is desired, then only half of the pulses generated by the laser source should be directed to the source position.
In this way, half, one-third, one-fourth, etc. of the repetition frequency can be generated. A DMD SLM and / or galvano scanner can be used to subtract excess laser pulses from the series of pulses coming from the laser source. For example, the DMD SLM can be controlled to reflect only specific laser pulses from the pulse train. The galvano scanner unit can be controlled to direct only a specific laser pulse from the pulse train to the target position. As shown in FIG. 37 (c), the galvano scanner unit 85 is used to halve the frequency generated by alternately directing the laser beam pulses to the target position 82 and the end position 86. Since the galvano scanner unit is slower than the DMD SLM, the DMD SLM is preferred. A beam chopper or shutter can also be used to block a particular pulse from the pulse train. Faster laser sources and SLMs can be used to extend the range of frequencies of sound that can be generated.

フーリエコンピュータ生成ホログラフィ(CGH)もまた、分布パターンを変えることによって1秒当たりに音源位置に送られるレーザパルスの数を制御するために使用することもできる。しかし、これには、スキャン速度の速いSLMが必要である。 Fourier computer-generated holography (CGH) can also be used to control the number of laser pulses sent to the source position per second by varying the distribution pattern. However, this requires an SLM with a high scanning speed.

目標位置にレーザパルスビームの焦点を生成することにより位置制御が行われる。3次元スキャナ(例えば、ガルバノスキャナとバリフォーカルレンズとの組み合わせ)を使用することができる。ガルバノスキャナユニットは、横方向のX方向及びY方向にレーザパルスビームの方向を走査する。バリフォーカルレンズユニットは、焦点距離をZ軸方向に変更する。また、フーリエコンピュータ生成ホログラフィ(CGH)を使用して、音源を自由空間に配置することができる。 Position control is performed by generating the focal point of the laser pulse beam at the target position. A three-dimensional scanner (eg, a combination of a galvano scanner and a varifocal lens) can be used. The galvano scanner unit scans the direction of the laser pulse beam in the X and Y directions in the lateral direction. The varifocal lens unit changes the focal length in the Z-axis direction. Also, Fourier computer-generated holography (CGH) can be used to place sound sources in free space.

指向性制御は、結果として生じる波面がターゲットに向けられるように放射された音が互いに干渉するように、1つ以上の音源を配置することによって実行される。フェムト秒レーザパルスによって生成されたプラズマは、電磁波(スーパーコンティニュームとして知られる無線周波数及び光)、並びに、音波(可聴音及び超音波)を含む非常に広い周波数範囲の広帯域波を放射する。広いスペクトルの波が共存しているが、周波数帯域は別々に制御することができる。複数のプラズマスポットが自由空間に空間的に配置されると、光、電磁波、音、及び/又は超音波の「フェーズドアレイ」を生成することができる。 Directivity control is performed by arranging one or more sound sources so that the radiated sounds interfere with each other so that the resulting wavefront is directed at the target. The plasma generated by the femtosecond laser pulse radiates electromagnetic waves (radio frequencies and light known as supercontinues) as well as broadband waves over a very wide frequency range, including sound waves (audible and ultrasonic waves). Waves with a wide spectrum coexist, but the frequency band can be controlled separately. When multiple plasma spots are spatially arranged in free space, it is possible to generate a "phased array" of light, electromagnetic waves, sound, and / or ultrasonic waves.

波源の位相は同じであるが、特定の干渉波パターンを作り出すために、波源(レーザ焦点)の配置によって特定の周波数波の指向性を制御することができる。プラズマスポット間の空間的位置及び距離は、時間(位相)差を決定する。したがって、それ自体が「フェーズドアレイ」ではなく、「空間アレイ」になる。 Although the phases of the wave sources are the same, the directivity of a specific frequency wave can be controlled by the arrangement of the wave source (laser focus) in order to create a specific interference wave pattern. The spatial position and distance between the plasma spots determine the time (phase) difference. Therefore, it is not a "phased array" in itself, but a "spatial array".

計算位相変調は、空気中の焦点の複雑な配置を可能にする。干渉パターンを制御し、且つ、波面を成形して放射音の方向制御を得るために、特定の空間アレイ配置を設計することができる。 Computational phase modulation allows for complex placement of focal points in the air. A particular spatial array arrangement can be designed to control the interference pattern and to shape the wavefront to obtain directional control of the radiated sound.

LC型SLMは、導出されたCGHを使用することによって複数の干渉焦点を生成する。さらに、DMD SLMは、結果として生じる衝撃波が互いに干渉することができるように、レーザパルスビームの振幅を制御することができる。CGHは、音波分布を設計するためのシミュレータを使用して導き出すことができる。所望の波面を生成する音源の配置を決定した後、音源の位置に基づいて、LCSLM又はDMD SLMに対してCGHが計算される。 The LC type SLM uses the derived CGH to generate multiple coherent focal points. In addition, the DMD SLM can control the amplitude of the laser pulse beam so that the resulting shock waves can interfere with each other. The CGH can be derived using a simulator for designing the sound wave distribution. After determining the placement of the sound source to produce the desired wave surface, the CGH is calculated for the LCSLM or DMD SLM based on the position of the sound source.

マイクロレンズアレイも使用することができる。個別の小型レンズは、マイクロレンズアレイの間隔で単一のレーザビームを、例えば4つの音源に分割する。間隔が十分に離れている場合は、4つの音源が互いに干渉する音を生成して、特定の音分布パターンを形成することができる。 Microlens arrays can also be used. The individual small lenses divide a single laser beam into, for example, four sound sources at intervals of the microlens array. When spaced sufficiently apart, the four sound sources can generate sounds that interfere with each other to form a particular sound distribution pattern.

より長いフィラメント化は、より強い音波をレーザの伝播方向に対して垂直に放射する。これにより、音波を目標点に効果的に届けるための好ましいレーザ方向を決定することができる。 Longer filamentation emits stronger sound waves perpendicular to the direction of laser propagation. This makes it possible to determine a preferred laser direction for effectively delivering the sound wave to the target point.

本発明者らは、目標位置での音声データの再生方法を検討した。音と音声を生成する1つの方法は、振幅変調を使用することである。図40に示すように、ビームシャッタを使用して個々のパルスのパワーを制御することができる。44.1kHzのサンプリングデータを再生するには、パルスレーザ光源とシャッタの両方に最低44.1kHzが必要である。 The present inventors have investigated a method for reproducing audio data at a target position. One way to produce sound and voice is to use amplitude modulation. As shown in FIG. 40, a beam shutter can be used to control the power of individual pulses. To reproduce the 44.1 kHz sampling data, a minimum of 44.1 kHz is required for both the pulsed laser light source and the shutter.

これは、また、インパルス音の高調波を使用することによって(例えば、図38および図39に示す構成、又は、超高速なSLMを使用することによって)実現することができる。100kHzまで測定可能なマイクロホンを用いて、少なくとも96kHzまでの周波数を有する波が放射されたことを確認した。複数の周波数成分が同時に放射されるが、各周波数の指向性を制御することによって目標周波数を選択することができる。純粋なトーンは難しいかもしれないが、目標方向について少なくともほとんどの余分な周波数は取除くことができる。 This can also be achieved by using the harmonics of the impulse sound (eg, by using the configurations shown in FIGS. 38 and 39, or by using an ultrafast SLM). Using a microphone capable of measuring up to 100 kHz, it was confirmed that a wave having a frequency up to at least 96 kHz was emitted. Although multiple frequency components are emitted at the same time, the target frequency can be selected by controlling the directivity of each frequency. Pure tones can be difficult, but at least most extra frequencies can be removed in the target direction.

(オーディオアプリケーション2:空間オーディオ仮想現実)
空中プラズマスピーカは、普通の物体をオーディオメディアに変えることができる。空中プラズマ音源は、現実世界のオブジェクトに重ね合わせることも、隣接させることもできる。したがって、あらゆる現実世界のオブジェクトが音源になり得る。例えば、おもちゃの置物が音源であるように見せるために、空中プラズマ音源をおもちゃの置物の口の隣に配置することができる。空間プラズマは、プラズマスピーカのワークスペースの周囲の環境を走査し、且つ、マッピングすることができるカメラシステムを利用することによって、空中プラズマを手動で再配置することも、自動的に再配置することもできる。
(Audio Application 2: Spatial Audio Virtual Reality)
Aerial plasma speakers can turn ordinary objects into audio media. The aerial plasma source can be superimposed on or adjacent to real-world objects. Therefore, any real-world object can be a sound source. For example, an aerial plasma sound source can be placed next to the mouth of the toy figurine to make the toy figurine appear to be a sound source. Spatial plasma can be manually relocated or automatically relocated by utilizing a camera system that can scan and map the environment around the plasma speaker workspace. You can also.

(オーディオアプリケーション3:空間スピーカ:実態のない空中スピーカ)
プラズマスポットの空間的位置及び強度は、CGHを変更することによって変えることができる。本発明の例示的実施形態によれば、レーザ誘起プラズマはどこでも発生させることができ、且つ、従来のスピーカのような点音源として可聴波を放射するように変調することができる。プラズマは、一組の従来のサラウンドサウンドスピーカとして機能するように複数の点に誘起させることができる。例えば、複数のレーザ誘起プラズマスポットが従来のサラウンドサウンド構成で室内に配置され、且つ、各プラズマスポットは異なるオーディオ信号で変調される。
(Audio application 3: Spatial speaker: Aerial speaker without reality)
The spatial position and intensity of the plasma spot can be changed by changing the CGH. According to an exemplary embodiment of the invention, the laser-induced plasma can be generated anywhere and modulated to radiate audible waves as a point sound source such as a conventional speaker. The plasma can be induced at multiple points to function as a set of traditional surround sound speakers. For example, a plurality of laser-induced plasma spots are arranged indoors in a conventional surround sound configuration, and each plasma spot is modulated by a different audio signal.

本発明の例示的実施形態によれば、レーザプラズマスピーカは、パラメトリック指向性スピーカのように動作するように構成される。指向性は、複数の音源を配置することによって達成される。指向性は可変である。 According to an exemplary embodiment of the invention, the laser plasma speaker is configured to behave like a parametric directional speaker. Directivity is achieved by arranging multiple sound sources. The directivity is variable.

(オーディオアプリケーション4:空間スピーカアレイ:指向性スピーカ)
超音波超指向性スピーカは、レーザ音源でシミュレーションすることができる。レーザ焦点は、超音波を放射する。これらの超音波は、音声データに基づいて変調される。空気の非線形性は、これらの変調された超音波を可聴音に復調する。
(Audio application 4: Spatial speaker array: Directional speaker)
The ultrasonic super-directional speaker can be simulated with a laser sound source. The laser focus emits ultrasonic waves. These ultrasonic waves are modulated based on audio data. The non-linearity of air demodulates these modulated ultrasonic waves to audible sound.

あるいは、SLM及び計算位相変調の使用は、空気中の焦点の複雑な配置を可能にする。干渉パターンを制御し、且つ、波面を整形して放射音の方向制御を得るために、特定の空間アレイ配置を設計することができる。 Alternatively, the use of SLM and computational phase modulation allows for complex placement of focal points in the air. A particular spatial array arrangement can be designed to control the interference pattern and shape the wavefront to obtain directional control of the radiated sound.

図41(d)に示すように、特定の目標に対して音波を指向させるために焦点を配置することができる。図43に示すように、焦点62は、焦点62で誘起されたプラズマによって生成された音64が仮想オブジェクトの動き及び配向に対して放射されるように見えるように、仮想オブジェクトの動き及び配向を追跡するために連続的に再配置することができる。 As shown in FIG. 41 (d), the focus can be placed to direct the sound wave to a particular target. As shown in FIG. 43, the focal point 62 causes the movement and orientation of the virtual object so that the sound 64 produced by the plasma induced at the focal point 62 appears to be radiated with respect to the movement and orientation of the virtual object. It can be continuously rearranged for tracking.

(安全なアプリケーションの改良)
空中プラズマ発生は、平方センチメートル当たりペタワットの瞬間レーザ出力を必要とする。光回路は慎重に開発し、取り扱う必要がある。高強度レーザが利用される場合、イオン化は光回路に沿って起こり得る。光学部品の損傷を避けなければならないので、これは利用可能なレーザ出力を制限する。また、プラズマ発生は非線形現象であるため、取り扱いには注意が必要である。アプリケーションの安全性を確保するために、これらの問題を慎重に検討する必要がある。より高い反射効率を有するSLMを使用し、且つ、時間平均レーザパワーを増加させることで、より多くの数の同時にアドレス指定されたボクセルを生成することができる。
(Improvement of secure application)
Aerial plasma generation requires an instantaneous laser output of petawatts per square centimeter. Optical circuits need to be carefully developed and handled. When high intensity lasers are utilized, ionization can occur along the optical circuit. This limits the available laser power, as damage to the optics must be avoided. In addition, since plasma generation is a non-linear phenomenon, care must be taken when handling it. These issues need to be carefully considered to ensure the safety of the application. By using an SLM with higher reflection efficiency and increasing the time average laser power, a larger number of simultaneously addressed voxels can be generated.

望ましくないイオン化を回避するために、対物レンズを使用して低出力の高強度レーザパルスを空間内の特定の点に集束させてプラズマを発生させる。対物レンズを使用すると、ワークスペースの大きさに制限がある。ワークスペースは、ガルバノミラーの角度範囲と可変焦点レンズの深度範囲によって決まる。しかしながら、ガルバノミラーの角度範囲は、対物レンズの開口部に依存する。より大きい開口を有する対物レンズは、横方向におけるガルバノスキャナのより大きい角度範囲、すなわちX−Y走査を可能にする。 To avoid unwanted ionization, an objective lens is used to focus low-power, high-intensity laser pulses at specific points in space to generate the plasma. When using an objective lens, there is a limit to the size of the workspace. The workspace is determined by the angular range of the galvano mirror and the depth range of the varifocal lens. However, the angular range of the galvano mirror depends on the aperture of the objective lens. An objective lens with a larger aperture allows for a larger angular range of the galvano scanner in the lateral direction, i.e. XY scanning.

本発明の別の実施形態によれば、皮膚の損傷を防止するため又は不快感を最小限に抑えるための予防策として、走査速度を上げることによって安全性をさらに改善することができる。 According to another embodiment of the invention, safety can be further improved by increasing the scanning speed as a precautionary measure to prevent skin damage or to minimize discomfort.

例示的な実施形態では、ボリュメトリックディスプレイは、3次元空間を非常に迅速に走査する。したがって、長期間にわたって空間内の特定の点に留まることはないので、重大な損傷は起こり得ない。 In an exemplary embodiment, the volumetric display scans three-dimensional space very quickly. Therefore, no significant damage can occur because it does not stay at a particular point in space for a long period of time.

本発明の別の実施形態によれば、対話式ハプティックスの安全性は、同じ点でのさらなる接触を防ぐことによって重大な損傷の可能性を回避するために、プラズマの目標位置を調整することによってさらに改善することができる。 According to another embodiment of the invention, the safety of the interactive haptics is to adjust the target position of the plasma to avoid the possibility of serious damage by preventing further contact at the same point. Can be further improved by.

例示的な実施形態では、カメラ又はセンサシステムを使用して、プラズマスポットが誘起される可能性があるワークスペース内及び周囲のユーザの活動をモニタリングすることができる。予防策として、プラズマボクセルは、カメラ又はセンサシステムがプラズマボクセルに接触していることを検出してから17ms(単一フレーム)以内に無効化又は再配置しても良い。この遮断時間は、有害な曝露時間である2000msよりも十分に短い[Yoichi Ochiai, Kota Kumagai, Takayuki Hoshi, Jun Rekimoto, Satoshi Hasegawa, and Yoshio Hayasaki. 2015. Fairy lights in femtoseconds: Aerial and volumetric graphics rendered by focused femtosecond laser combined with computational holographic fields. In ACM SIGGRAPH 2015 Emerging Technologies, ACM, New York, NY, USA, SIGGRAPH ’15. DOI:http://dx.doi.org/10.1145/2782782.2792492]。レーザ源の繰り返し回数及びエネルギーが増加すると、より高速なカメラ認識システム及びより高速な走査システムが必要になる。 In an exemplary embodiment, a camera or sensor system can be used to monitor user activity in and around the workspace where plasma spots can be induced. As a precaution, the plasma voxel may be disabled or rearranged within 17 ms (single frame) after the camera or sensor system detects contact with the plasma voxel. This cutoff time is sufficiently shorter than the harmful exposure time of 2000 ms [ Yoichi Ochiai, Kota Kumagai, Takayuki Hoshi, Jun Rekimoto, Satoshi Hasegawa, and Yoshio Hayasaki. 2015. Fairy lights in femtoseconds: Aerial and volumetric graphics rendered by In ACM SIGGRAPH 2015 Emerging Technologies, ACM, New York, NY, USA, SIGGRAPH '15. DOI: http://dx.doi.org/10.1145/2782782.2792492 ]. As the number and energy of laser source iterations increases, faster camera recognition systems and faster scanning systems are needed.

(没入型バーチャルリアリティアプリケーション−複合視聴覚触覚システム)
視覚、触覚、及び、音声のアプリケーションを組み合わせることが可能である。空中で生成された3次元画像は、ユーザに話しかけるように見える。ユーザは、タッチ操作を介して、これらの画像と対話することができる。視覚アプリケーションのコントロールレートは、30fpsであり、これは、触覚アプリケーションにとっては十分な値である。このレートは、音声アプリケーションのレートよりも大幅に低いため、視覚アプリケーションは音声アプリケーションに干渉しない。
(Immersive Virtual Reality Application-Composite Audiovisual Tactile System)
It is possible to combine visual, tactile, and audio applications. The 3D image generated in the air appears to speak to the user. The user can interact with these images via touch operations. The control rate for visual applications is 30 fps, which is a sufficient value for tactile applications. This rate is significantly lower than that of the audio application, so the visual application does not interfere with the audio application.

本発明の例示的な実施形態によれば、フェムト秒レーザ誘起プラズマを利用して機能的な空中オーディオスピーカを実現する方法が提供される。超短パルスレーザの焦点に誘起されたプラズマは、インパルス状の衝撃波を発生するので、3次元空間内の任意の位置に焦点を分布させることができる。焦点の位置は動的に変化させることができる。7Wフェムト秒レーザ源を用いて空中に生成されたスピーカは、1kHzから96kHzの範囲の広い周波数特性を有する。 According to an exemplary embodiment of the present invention, there is provided a method of realizing a functional aerial audio speaker utilizing a femtosecond laser-induced plasma. Since the plasma induced in the focal point of the ultrashort pulse laser generates an impulse-like shock wave, the focal point can be distributed at any position in the three-dimensional space. The position of the focal point can be changed dynamically. Speakers generated in the air using a 7W femtosecond laser source have a wide frequency response in the range of 1kHz to 96kHz.

本明細書に記載の実験例、実験データ、表、グラフ、プロット、写真、図、並びに、処理及び/又は操作パラメータ(例えば、値及び/又は範囲)は、本発明のいくつかの可能な操作条件を例示することを意図している。開示されたシステム及び方法は開示されたものであり、本明細書に開示された方法及びシステムの他の実施形態の動作条件の範囲を限定することを意図するものではない。さらに、本明細書に開示される実験、実験データ、計算データ、表、グラフ、プロット、写真、図、及び、他のデータは、開示されるシステム及び方法の実施形態が効果的に機能して1つ以上の所望の結果を生み出すことができる様々な状況を示す。そのような運転計画および所望の結果は、例えば、表、グラフ、プロット、図、又は写真に示される運転パラメータ、条件、又は、結果の特定の値だけに限定されず、これらの特定の値を含む又はそれらに及ぶ適切な範囲も含む。したがって、本明細書に開示される値は、表、グラフ、プロット、図、写真などに列挙又は示される値のいずれかの間の値の範囲を含む。さらに、本明細書に開示される値は、表、グラフ、プロット、図、写真などに記載又は表示されている他の値によって実証されるように、表、グラフ、プロット、図、写真などに記載されている上若しくは下の何れかの値の範囲を含む。また、本明細書に開示されたデータは、特定の実施形態について1つ以上の有効動作範囲及び/又は1つ以上の所望の結果を確立するが、すべての実施形態がそのような各動作範囲で動作可能である必要はない。さらに、開示されたシステム及び方法の他の実施形態は、他の動作方式で動作し、及び/又は、例示の実験、実験データ、表、グラフ、プロット、写真、図、及び、他のデータを参照して示され説明された以外の結果を生み出す。 The experimental examples, experimental data, tables, graphs, plots, photographs, figures, and processing and / or operating parameters (eg, values and / or ranges) described herein are some of the possible operations of the present invention. It is intended to illustrate the conditions. The disclosed systems and methods are disclosed and are not intended to limit the scope of operating conditions for other embodiments of the methods and systems disclosed herein. In addition, the experiments, experimental data, computational data, tables, graphs, plots, photographs, figures, and other data disclosed herein feature effective embodiments of the disclosed systems and methods. Demonstrates various situations in which one or more desired results can be produced. Such operating plans and desired results are not limited to, for example, specific values of operating parameters, conditions, or results shown in tables, graphs, plots, diagrams, or photographs. Also includes the appropriate range to include or extend to them. Accordingly, the values disclosed herein include a range of values between any of the values listed or shown in tables, graphs, plots, figures, photographs and the like. In addition, the values disclosed herein are in tables, graphs, plots, figures, photographs, etc., as demonstrated by other values described or displayed in tables, graphs, plots, figures, photographs, etc. Includes a range of values either above or below listed. Also, the data disclosed herein establish one or more effective operating ranges and / or one or more desired results for a particular embodiment, but all such operating ranges. It does not have to be operational with. In addition, other embodiments of the disclosed systems and methods operate in other modes of operation and / or include exemplary experiments, experimental data, tables, graphs, plots, photographs, figures, and other data. Produces results other than those shown and explained with reference.

他のシステム、設定、及び、パラメータが他の実装形態で使用されてもよく、それは、同一の又は異なる結果を提供してもよい。多くの変形が可能であり、そして本開示の範囲内で想定することができる。 Other systems, settings, and parameters may be used in other implementations, which may provide the same or different results. Many modifications are possible and can be envisioned within the scope of this disclosure.

本発明の特定の実施形態を例示し説明してきたが、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく他の様々な変更及び修正を加えることができることは当業者には明らかであろう。したがって、本発明の範囲内にあるそのようなすべての変更及び修正を添付の特許請求の範囲で網羅することを意図している。 Having illustrated and described specific embodiments of the invention, it will be apparent to those skilled in the art that various other modifications and modifications can be made without departing from the spirit and scope of the invention. Accordingly, it is intended that all such modifications and modifications within the scope of the present invention are covered by the appended claims.

Claims (21)

レーザパルスビームを生成するフェムト秒光源を備え、
コンピュータ生成ホログラムを生成するプロセッサを備え、
前記コンピュータ生成ホログラムに従って前記レーザパルスビームを変調する空間光変調器を備え、
前記空間光変調器に光学的に接続された3次元スキャナを備え、
前記3次元スキャナは、空中の1つ以上の焦点に前記空間光変調器によって変調された変調レーザパルスビームを指向させ、
前記変調レーザパルスビームを集束させるレンズを備え
前記変調レーザパルスビームは、1つ以上の焦点で触知可能なライトフィールドを生成し、
1つ以上の焦点の周辺に触知可能なアコースティックフィールドを生成する超音波フェーズドアレイを備える、
プラズマ生成装置。
Equipped with a femtosecond light source that produces a laser pulse beam
Equipped with a processor that produces computer-generated holograms
A spatial light modulator that modulates the laser pulse beam according to the computer-generated hologram.
A three-dimensional scanner optically connected to the spatial light modulator is provided.
The three-dimensional scanner directs a modulated laser pulse beam modulated by the spatial light modulator to one or more focal points in the air.
A lens for focusing the modulated laser pulse beam is provided .
The modulated laser pulse beam produces a palpable light field at one or more focal points.
Ru comprises an ultrasonic phased array to generate an acoustic field palpable around the one or more focal points,
Plasma generator.
前記触知可能なライトフィールドは、触覚画像パターンを含む、 The tactile light field comprises a tactile image pattern.
請求項1に記載のプラズマ生成装置。The plasma generator according to claim 1.
レーザパルスビームを生成するフェムト秒光源を備え、 Equipped with a femtosecond light source that produces a laser pulse beam
コンピュータ生成ホログラムを生成するプロセッサを備え、 Equipped with a processor that produces computer-generated holograms
前記コンピュータ生成ホログラムに従って前記レーザパルスビームを変調する空間光変調器を備え、 A spatial light modulator that modulates the laser pulse beam according to the computer-generated hologram.
前記空間光変調器に光学的に接続された3次元スキャナを備え、 A three-dimensional scanner optically connected to the spatial light modulator is provided.
前記3次元スキャナは、空中の1つ以上の焦点に前記空間光変調器によって変調された変調レーザパルスビームを指向させ、 The three-dimensional scanner directs a modulated laser pulse beam modulated by the spatial light modulator to one or more focal points in the air.
前記変調レーザパルスビームを集束させるマイクロレンズアレイを備える、 A microlens array for focusing the modulated laser pulse beam.
プラズマ生成装置。Plasma generator.
前記変調レーザパルスビームは、1つ以上の焦点で発光効果を誘起する、
請求項1〜請求項3の何れかに記載のプラズマ生成装置。
The modulated laser pulse beam induces a light emitting effect at one or more focal points.
The plasma generator according to any one of claims 1 to 3.
前記発光効果の輝度の変化を検出するセンサを備える、A sensor for detecting a change in the brightness of the light emitting effect is provided.
請求項4に記載のプラズマ生成装置。The plasma generator according to claim 4.
前記3次元スキャナは、ガルバノスキャナと、バリフォーカルレンズと、を備える、
請求項1〜請求項5の何れかに記載のプラズマ生成装置。
The three-dimensional scanner includes a galvano scanner and a varifocal lens.
The plasma generator according to any one of claims 1 to 5.
前記変調レーザパルスビームは、1つ以上の焦点で触知可能なアコースティックフィールドを生成する、
請求項1〜請求項6の何れかに記載のプラズマ生成装置。
The modulated laser pulse beam produces a palpable acoustic field at one or more focal points.
The plasma generating apparatus according to any one of claims 1 to 6.
オブジェクトの位置を検出するセンサを備える、
請求項1〜請求項7の何れかに記載のプラズマ生成装置。
Equipped with a sensor to detect the position of an object,
The plasma generator according to any one of claims 1 to 7.
オーディオ信号に従って前記レーザパルスビームの強度を変更する振幅変調器を備える、
請求項1〜請求項8の何れかに記載のプラズマ生成装置。
An amplitude modulator that changes the intensity of the laser pulse beam according to an audio signal.
The plasma generator according to any one of claims 1 to 8.
フェムト秒レーザパルスビームを生成するステップを備え、
コンピュータ生成ホログラムを生成するステップを備え、
前記コンピュータ生成ホログラムに従って前記フェムト秒レーザパルスビームを変調することにより、1つ以上の変調レーザパルスビームを生成するステップを備え、
空中の1つ以上の焦点に前記1つ以上のレーザパルスビームを指向させるステップを備え
前記1つ以上の焦点は、前記コンピュータ生成ホログラムに応じた位置に配置されることにより、指向性音波を生成する、
プラズマ生成方法。
With steps to generate a femtosecond laser pulse beam
With steps to generate computer-generated holograms
A step of generating one or more modulated laser pulse beams by modulating the femtosecond laser pulse beam according to the computer-generated hologram.
A step of directing the one or more laser pulse beams to one or more focal points in the air .
It said one or more focus, by being disposed at a position corresponding to the computer generated hologram, that generates a directional acoustic wave,
Plasma generation method.
1つ以上の変調レーザパルスビームを1つ以上の焦点で集束させることにより、1つ以上の焦点で発光効果を誘起するステップを備える、
請求項10に記載のプラズマ生成方法。
A step of inducing a luminescence effect at one or more foci by focusing one or more modulated laser pulse beams at one or more foci.
The plasma generation method according to claim 10.
前記発光効果の輝度の変化を検出するステップを備える、
請求項11に記載のプラズマ生成方法。
A step of detecting a change in the brightness of the light emitting effect is provided.
The plasma generation method according to claim 11.
1つ以上の焦点で触知可能なライトフィールドを生成するステップを備える、
請求項10請求項12の何れかに記載のプラズマ生成方法。
Includes steps to generate a palpable light field at one or more focal points,
The plasma generation method according to any one of claims 10 to 12.
1つ以上の焦点と1つ以上の焦点の周辺とのうち少なくとも一方で超音波放射圧を生成する、
請求項13に記載のプラズマ生成方法。
Generates ultrasonic radiation pressure at least one of one or more foci and one or more foci.
The plasma generation method according to claim 13.
残像の生成に十分なレートで前記発光効果を誘起するステップを備える、
請求項11に記載のプラズマ生成方法。
It comprises a step of inducing the luminescence effect at a rate sufficient to generate an afterimage.
The plasma generation method according to claim 11.
1つ以上の焦点の近傍に新しい1つ以上の焦点の組み合わせを判定するステップを備える、
請求項11に記載のプラズマ生成方法。
A step of determining a new combination of one or more focal points in the vicinity of one or more focal points.
The plasma generation method according to claim 11.
前記検出された変化を入力選択として用いるステップを備える、
請求項12に記載のプラズマ生成方法。
The step comprises using the detected change as an input selection.
The plasma generation method according to claim 12.
1つ以上の焦点で1つ以上の変調レーザパルスビームを指向させることにより、音波を発生させる発光効果を導出するステップを備える、
請求項10請求項17の何れかに記載のプラズマ生成方法。
A step of deriving a light emitting effect that generates sound waves by directing one or more modulated laser pulse beams at one or more focal points.
The plasma generation method according to any one of claims 10 to 17.
前記音波は、可聴周波数帯および超音波周波数帯のいずれか一方である、
請求項18に記載のプラズマ生成方法。
The sound wave is in either an audible frequency band or an ultrasonic frequency band.
The plasma generation method according to claim 18.
オーディオ信号に従って前記フェムト秒レーザパルスビームの強度を調整するステップを備える、
請求項10請求項19の何れかに記載のプラズマ生成方法。
A step of adjusting the intensity of the femtosecond laser pulse beam according to an audio signal.
The plasma generation method according to any one of claims 10 to 19.
前記フェムト秒レーザパルスビームを弱めるステップを備える、
請求項10請求項20の何れかに記載のプラズマ生成方法。
A step of weakening the femtosecond laser pulse beam.
The plasma generation method according to any one of claims 10 to 20.
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